Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

TRẦN THỊ TUYẾT NHUNG

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP

CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

TRẦN THỊ TUYẾT NHUNG

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP

CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Nguyễn Hùng

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM

ngày tháng năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

Họ và tên Chức danh Hội đồng TT

PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch 1

TS. Nguyễn Minh Tâm Phản biện 1 2

TS. Đinh Hoàng Bách Phản biện 2 3

PGS.TS. Trần Thu Hà Ủy viên 4

PGS.TS. Võ Ngọc Điều Ủy viên, thư ký 5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

PGS.TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày…… tháng….. năm 20..…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trần Thị Tuyết Nhung Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 12/9/1974 Nơi sinh: Quảng Bình

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1441830034

I- Tên đề tài:

Nghiên cứu cải thiện chất lƣợng điện áp hệ thống điện.

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện.

- Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để

cải thiện chất lượng điện áp.

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.

- Mô hình mô phỏng ứng dụng Statcom vào hệ thống điện trên phần mềm

MATLAB/ SIMULINK.

- Ứng dụng vào mạng điện thực tế 3 nút, 4 nút và lưới điện Hòa Hưng – Thiện

Thuật.

- Nhận xét, đánh giá kết quả.

III- Ngày giao nhiệm vụ : Tháng 12/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 06/2016

V- Cán bộ hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Hùng

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. Nguyễn Hùng PGS.TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết

quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

công trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn

gốc.

Học viên thực hiện

Trần Thị Tuyết Nhung

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tôi đã hoàn thành đề tài

luận văn cao học của mình, có được kết quả này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với

Thầy TS. Nguyễn Hùng, người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi trong suốt quá

trình thực hiện Luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy trong bộ môn đã trang bị kiến thức

bổ ích cho tôi, cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứu

này.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Trần Thị Tuyết Nhung

iii

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của hệ thống điện” đã giải

quyết các vấn đề sau :

- Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện.

- Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để

cải thiện chất lượng điện áp.

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.

- Mô hình mô phỏng ứng dụng Statcom vào hệ thống điện trên phần mềm

MATLAB/ SIMULINK nhằm cải thiện chất lượng điện áp.

- Ứng dụng vào mạng điện thực tế 3 nút, 4 nút và lưới điện Hòa Hưng – Thiện

Thuật.

- Nhận xét, đánh giá kết quả.

ABSTRACT

Thesis “Research to improve the voltage quality in power system” have

resolved the following issues :

- Theoretical study voltage stability in power system.

- STATCOM theoretical research and its application in power systems to

improve voltage quality.

- Research using the software MATLAB / SIMULINK.

- Application simulation model STATCOM in the power system on the

software MATLAB / SIMULINK to improve the voltage quality.

- Applications in real power system 3 buttons, 4 buttons and grid Hoa Hung -

Thien Thuat.

- Reviews, evaluate the results.

MỤC LỤC

Nội dung Trang

Lời cam đoan ............................................................................................................... i

Lời cảm ơn ..................................................................................................................ii

Tóm tắt ...................................................................................................................... iii

Abstract ...................................................................................................................... iv

Mục lục ........................................................................................................................ v

Danh mục các từ viết tắt…………………………………………………………..viii

Danh mục các biểu đồ, đồ thị, hình ảnh ..................................................................... ix

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN ................................................................ 1

1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ ............................................................................................2

1.3 Phương pháp giải quyết ........................................................................................2

1.4 Giới hạn đề tài ......................................................................................................3

1.5 Điểm mới của luận văn ........................................................................................3

1.6 Phạm vi ứng dụng ................................................................................................3

1.7 Bố cục của luận văn .............................................................................................3

1.8 Một số nghiên cứu có liên quan ……………………………………………… 3

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH ÁP ............................................... 4

2.1. Các chế độ làm việc của hệ thống điện ................................................................5

2.1.1. Các chế độ ..................................................................................................5

2.1.2. Chế độ xác lập bình thường ........................................................................6

2.2. Tổng quan về ổn định hệ thống điện ....................................................................8

2.2.1. Đặc điểm hoạt động của hệ thống điện ......................................................8

2.2.2. Ổn định hệ thống điện ................................................................................9

2.2.3. Phân loại ổn định hệ thống điện ...............................................................11

2.2.4. Giới hạn ổn định trong hệ thống điện .......................................................12

2.3. Ổn định điện áp trong hệ thống điện ..................................................................17

2.3.1. Khái niệm .................................................................................................17

2.3.2. Các tiêu chuẩn ổn định áp ........................................................................17

2.3.3. Nguyên nhân làm mất ổn định điện áp .....................................................19

2.3.4. Phân loại ổn định điện áp .........................................................................19

2.3.5. Điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện ...................................................20

2.3.6. Đánh giá ổn định áp qua đường cong PV, QV .........................................23

CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỂ CẢI

THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP. .......................................................................25

3.1 Bù công suất phản kháng ....................................................................................25

3.1.1 Công suất phản kháng ...............................................................................25

3.1.2 Nguyên lý bù công suất phản kháng .........................................................25

3.1.3. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng ............................................28

3.2. Thiết bị FACTS (FACTS-Flexible AC Transmission System) .........................30

3.3.Tổng quan về Statcom .........................................................................................31

3.4.Cấu trúc cơ bản ...................................................................................................33

3.5. Nguyên lý hoạt động ..........................................................................................33

3.6. Đặc tính bù của Statcom ....................................................................................36

3.7. Ưu điểm của Statcom .........................................................................................38

CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ....................................... 39

4.1. Phần mềm MATLAB/SIMULINK ....................................................................39

4.2. Khảo sát mạng điện 3 nút ...................................................................................40

4.2.1. Sơ đồ đơn tuyến ........................................................................................40

4.2.2. Sơ đồ Simulink .........................................................................................41

4.2.3. Chạy mô phỏng và kết quả .......................................................................48

4.3. Mạng điện 4 bus. ................................................................................................52

4.3.1 Sơ đồ đơn tuyến .........................................................................................52

4.3.2 Sơ đồ Simulink ..........................................................................................52

4.3.3 Chạy mô phỏng và kết quả ........................................................................53

4.4. Mạng điện phân phối tuyến Hòa Hưng – Thiện Thuật. .....................................56

4.4.1 Sơ đồ đơn tuyến .........................................................................................56

vii

4.4.2 Sơ đồ Simulink ..........................................................................................57

4.4.3 Chạy mô phỏng và kết quả ........................................................................58

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN ...................................................................................... 62

5.1 Kết luận ...............................................................................................................62

5.2 Hướng phát triển đề tài ........................................................................................62

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 63

viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Reference voltage – giá trị cài đặt điện áp Vref

Nhà máy NM

Trạm biến áp TBA

HTĐXC Hệ thống điện xoay chiều

Thyristor controlled series capacitor – Bộ tụ bù mắc nối tiếp TCSC

Tập đoàn Điện lực Việt Nam EVN

Dòng điện STATCOM ISTA(Iq)

Điện áp STATCOM VSTA(Vq)

Nguồn một chiều DC

Nguồn xoay chiều AC

Công suất tác dụng P

Công suất phản kháng Q

Tần số f

Công suất phản kháng CSPK

Voltage Source Converter – bộ nghịch lưu áp VSC

Thyristor cắt GTO

Transistor lưỡng cực IGBT

PWM Pulse Width Modulation - Kỹ thuật điều chế độ rộng xung

Static Var Compensator - Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng SVC thyristor

STATCOM Static Synchronous Compensator

AVR Bộ điều chỉnh điện áp tự động

Flexible Alternating Current Transmission System - Hệ thống FACTS truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH

Nội dung Trang

Hình 2.1 Sự ổn định của hệ cơ học ............................................................................ 9

Hình 2.2 Phân loại ổn định hệ thống điện. .............................................................. 12

Hình 2.3: Hệ thống điện. .......................................................................................... 14

Hình 2.4: Đường cong công suất - góc .................................................................... 15

Hình 2.5: Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định quá độ .......................... 16

Hình 2.6: Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định dao động bé ................. 17

Hình 2.7: Dạng đường cong PV điển hình………………………………… …….23

Hình 2.8 Dạng đường cong QV điển hình ............................................................... 24

Hình 3.1: Hệ thống truyền tải điện ............................................................................ 26

Hình 3.2 : Minh họa nguyên lý bù công suất phản kháng ........................................ 27

Hình 3.3 : Giản đồ véc tơ điện áp và dòng điện của bù công suất phản kháng ........ 27

Hình 3.4 : Giản đồ vec tơ công suất của bù công suất phản kháng .......................... 28

Hình 3.5: Mạch điện tương đương của STATCOM ................................................. 32

Hình 3.6: Cấu trúc cơ bản của STATCOM ............................................................... 33

Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM ................................................. 34

Hình 3.8 Nguyên lý bù của bộ bù tích cực. .............................................................. 35

Hình 3.9: Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù ................................. 36

Hình 3.10: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù………………………36

Hình 3.11: Đặc tuyến V – I của STATCOM ........................................................... 37

Hình 3.12: Đặc tuyến V – Q của STATCOM .......................................................... 37

Hình 4.1 Sơ đồ đơn tuyến. ....................................................................................... 41

Hình 4.2 Các khối của Sơ đồ Simulink .................................................................... 43

Hình 4.3 Mô hình tải động. ...................................................................................... 46

Hình 4.4 Cấu tạo D - Statcom. ................................................................................. 46

Hình 4.5 Hệ thống điều khiển D - Statcom .............................................................. 47

Hình 4.6 Sơ đồ Simulink mạng điện 3 nút. .............................................................. 48

Hình 4.7 Đường công suất tác dụng tại B3(3bus) .................................................... 48

Hình 4.8 Đường công suất phản kháng tại B3(3bus) ............................................... 49

Hình 4.9 Đường Điện áp tại bus B1(3bus) .............................................................. 49

Hình 4.10 Đường Điện áp tại bus B3(3bus) ............................................................ 50

Hình 4.11 Flicker tại bus B3(3bus) với time 4s ....................................................... 51

Hình 4.12 Điện áp tại bus B3(3bus) với time 4s ...................................................... 51

Hình 4.13 Sơ đồ đơn tuyến mạng 4 bus. .................................................................. 52

Hình 4.14 Sơ đồ Simulink mạng 4 bus. ................................................................... 52

Hình 4.15 Đường công suất tác dụng tại B3(4bus) .................................................. 53

Hình 4.16 Đường công suất phản kháng tại B3(4bus) ............................................. 53

Hình 4.17 Đường Điện áp tại bus B1(4bus) ............................................................ 54

Hình 4.18 Đường Điện áp tại bus B3(4bus) ............................................................ 54

Hình 4.19 Điện áp tại bus B3(4bus)với time 4s ....................................................... 55

Hình 4.20 Flicker tại bus B3 (4bus) với time 4s ...................................................... 56

Hình 4.21 Sơ đồ đơn tuyến mạng Hòa Hưng đến Thiện Thuật ............................... 57

Hình 4.22 Sơ đồ simulink mạng Hòa Hưng đến Thiện Thuật ................................. 57

Hình 4.23 Đường công suất tác dụng tại B3(Hòa Hưng) ........................................ 58

Hình 4.24 Đường công suất phản kháng tại B3(Hòa Hưng) .................................... 58

Hình 4.25 Đường Điện áp tại bus B1(Hòa Hưng) ................................................... 59

Hình 4.26 Đường Điện áp tại bus B3(Hòa Hưng) ................................................... 59

Hình 4.27 Điện áp tại bus B3(Hòa Hưng) với time 4s ............................................ 60

Hình 4.28 Flicker tại bus B3(Hòa Hưng) với time 4s ............................................. 61

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

1.1 Đặt vấn đề

Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế

giới do nó có ưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng

năng lượng khác. Hơn nữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản

xuất, vận chuyển và sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển

để đáp ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế toàn cầu

hoá nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và hình thành các mối liên kết giữa

các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành

nên hệ thống điện hợp nhất có quy mô rất lớn về công suất.

Ở Việt Nam, trong những năm qua sự hội nhập về kinh tế dẫn đến nhu cầu

điện năng là rất lớn, để đáp ứng nhu cầu về điện năng thì hệ thống điện cũng ngày

càng phát triển về quy mô lẫn công nghệ. Tuy nhiên, sự xuất hiện nhiều nhà máy

thủy điện và nhiệt điện cũng làm cho việc vận hành hệ thống điện trở nên phức tạp

hơn, đặc biệt là vấn đề về đồng bộ cũng như tính ổn định của hệ thống.

Chúng ta biết rằng hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân phối

có mối quan hệ tương tác lẫn nhau rất phức tạp, tồn tại vô số các nhiễu tác động lên

hệ thống.

Khi hệ thống điện mất ổn định, các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng

bộ, cần cắt ra ảnh hưởng đến công suất của hệ thống; tần số hệ thống thay đổi ảnh

hưởng đến hộ tiêu thụ; điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp

tại các nút phụ tải…như vậy hậu quả có thể phải cắt hàng loạt tổ máy, phụ tải, có

thể làm tan rã hệ thống và gây thiệt hại nghiêm trọng cho nền kinh tế.

Trong chế độ vận hành xác lập, chế độ làm việc cơ bản của hệ thống điện, hệ

thống điện có thể mất ổn định áp do tải biến động hay thay đổi cấu trúc lưới…, hiện

tượng này xảy ra là bình thường và liên tục, tuy nhiên nếu không giải quyết thì các

biến động nhỏ đó có thể phát triển thành lớn gây sự cố cho hệ thống điện, vì vậy cần

có biện pháp điều chỉnh, hỗ trợ tương ứng để hạn chế gây thiệt hại và ảnh hưởng

đến chất lượng hoạt động phụ tải tiêu thụ điện.

Việc nghiên cứu hệ thống điện và lý thuyết ổn định điện áp là cơ sở để lựa

chọn và ứng dụng các thiết bị điện phù hợp để ngăn ngừa các sự cố xảy ra với hệ

thống điện đồng thời nâng cao chất lượng điện năng và vận hành ổn định lưới điện.

Đảm bảo chất lượng điện áp khi vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi

chịu tác động nhiễu là rất cần thiết và quan trọng, đó là lý do tác giả lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của hệ thống điện” nhằm nghiên cứu lý

thuyết ổn định áp và nghiên cứu ứng dụng thiết bị STATCOM vào hệ thống điện để

nâng cao chất lượng điện áp (ổn định biên độ điện áp và giảm chập chờn, nhấp nháy

lưới điện).

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ

Mục tiêu : Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của hệ thống điện.

Nhiệm vụ :

- Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện

- Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để

cải thiện chất lượng điện áp.

- Mô hình mô phỏng ứng dụng Statcom vào hệ thống điện trên phần mềm

MATLAB/ SIMULINK để cải thiện chất lượng điện áp.

- Ứng dụng vào mạng điện thực tế 3 nút, 4 nút và lưới điện phân phối Hòa

Hưng – Thiện Thuật (trích sơ đồ tuyến dây CMT8, quận 3, thành phố Hồ Chí Minh)

để cải thiện chất lượng điện áp trong chế độ xác lập.

1.3 Phƣơng pháp giải quyết

- Thu thập tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết ổn định áp hệ thống điện

- Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để

cải thiện chất lượng điện áp.

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.

-Thực nghiệm ứng dụng Statcom trên mô hình lưới điện 3 nút, 4 nút và lưới

điện Hòa Hưng – Thiện Thuật.

- Nhận xét, đánh giá kết quả.

1.4 Giới hạn đề tài

Xét hệ thống điện làm việc ở chế độ xác lập.

1.5 Điểm mới của luận văn

Ứng dụng Statcom vào mạng điện thực cho ổn định biên độ điện áp và giảm

thấp dao động (nhấp nháy) của lưới điện tại nút đặt Statcom, hệ thống điện được mô

phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK.

1.6 Phạm vi ứng dụng

- Ứng dụng cho các lưới điện phân phối bất kỳ.

- Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện.

1.7 Bố cục của luận văn Chương 1: Giới thiệu luận văn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết ổn định áp

Chương 3: Ứng dụng Statcom vào hệ thống điện để cải thiện chất lượng điện áp.

Chương 4: Mô hình mô phỏng và kết quả

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

https://www.researchgate.net/.../261480301_Enhancement_of_power_... Nghiên cứu về cải thiện hệ số công suất và sóng hài trong hệ thống điện phân phối.

1.8 Một số nghiên cứu có liên quan - Enhancement of power quality in distribution system using D-Statcom, 2016.

- Nguyễn Xuân Dũng. Đánh giá ổn định điện áp 220kV khu vực miền trung. Đại

học Đà Nẵng, 2012. Tác giả sử dụng thiết bị SVC để ổn định và mô phỏng trên

phần mềm Powerworld.

- Nguyễn Hải Tâm. Nghiên cứu bộ điều khiển bù công suất phản kháng statcom ổn

định hệ thống điện,2016. Tác giả nghiên cứu hệ thống điện làm việc ở chế độ quá

độ và mô phỏng trên phần mềm Powerworld.

- Nguyễn Hải Thắng. Đánh giá và đề xuất giải pháp nâng cao khả năng ổn định

điện áp cho hệ thống điện 220KV miền Nam Việt Nam. Đại học Đà Nẵng, 2013. Tác

giả sử dụng thiết bị SVC để ổn định và mô phỏng trên phần mềm Conus.

- Nguyễn Văn Trí. Nghiên cứu ứng dụng Statcom trong việc nâng cao ổn định điện

áp trong hệ thống điện có kết hợp nguồn điện gió, 2016. Tác giả nghiên cứu hệ

thống điện làm việc ở chế độ quá độ và mô phỏng trên phần mềm Matlab.

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH ÁP

Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống

nằm trong một phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau các

kích động. Hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động

như tăng tải đột ngột hay thay đổi các điều kiện của mạng lưới hệ thống. Các thay

đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nhất là có thể rơi vào

tình trạng không thể điều khiển điện áp, gây ra sụp đổ điện áp.

Nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp là hệ thống điện không có

khả năng đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng trong mạng. Các thông số có liên

quan đến sụp đổ điện áp là dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng cùng với

điện dung, điện kháng của mạng lưới điện.

Mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong vận hành

hệ thống điện, làm mất điện trên một vùng hay trên cả diện rộng, gây thiệt hại rất

lớn về kinh tế, chính trị, xã hội. Trên thế giới đã ghi nhận được nhiều sự cố mất điện

lớn do sụp đổ điện áp gây ra như tại Ý ngày 28/9/2003, Nam Thụy Điển và Đông

Đan Mạch ngày 23/9/2003, phía Nam Luân Đôn ngày 28/8/2003, Phần Lan ngày

23/8/2003, Mỹ - Canada ngày 14/8/2003... Ổn định điện áp đã được quan tâm,

nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam cũng đã xảy ra nhiều lần sự cố

mất điện trên diện rộng, chẳng hạn như vào các ngày 17/5/2005, 27/12/2006,

20/7/2007 và 04/9/2007.

Do điện là yếu tố then chốt của sản xuất, nhiều nước trên thế giới không còn

tính toán thiệt hại do mất điện theo đơn vị giờ mà là đơn vị phút. Vì vậy, việc phân

tích ổn định điện áp ở Việt Nam cần được nghiên cứu nhiều hơn nữa và có những

biện pháp để ngăn ngừa sụp đổ điện áp.

2.1. Các chế độ làm việc của hệ thống điện

2.1.1. Các chế độ

Tập hợp các quá trình điện xảy ra trong một thời điểm hoặc một khoảng thời

gian vận hành gọi là chế độ của hệ thống điện. Đặc trưng của chế độ là các thông số

U, I, P, Q, f, δ ... Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian, là hàm số của thời

gian. Tùy theo sự biến đổi của các thông số chế độ, ta có các chế độ làm việc của hệ

thống điện như sau :

+ Chế độ xác lập : Trong đó các thông số chế độ dao động rất nhỏ xung

quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem các thông số này là hằng số.

Trong chế độ xác lập còn được phân thành :

- Chế độ xác lập bình thường : chế độ làm việc bình thường của hệ thống

điện. Hệ thống điện được thiết kế để làm việc với các chế độ xác lập này. Với chế

độ xác lập bình thường yêu cầu thõa mãn các tiêu chí sau :

Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có

chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải

nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn.

Đảm bảo độ tin cậy : các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng

đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và

điều kiện của hệ thống điện.

Có hiệu quả kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng

điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện

năng nhỏ nhất.

Đảm bảo an toàn điện: phả đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng

điện và thiết bị phân phối điện.

- Chế độ xác lập sau sự cố : chế độ đã được tính trước vì sự cố là không thể

tránh khỏi trong vận hành hệ thống điện, các chỉ tiêu như chế độ xác lập bình

thường nhưng giảm đi.

- Chế độ sự cố xác lập : yêu cầu không được phép gây hại và duy trì quá thời

hạn cho phép.

+ Chế độ quá độ

Các thông số biến thiên mạnh theo thời gian.

- Chế độ quá độ bình thường : xảy ra thường xuyên khi hệ thống điện chuyển

từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, yêu cầu kết thúc nhanh và các thông

số biến đổi trong giới hạn cho phép.

- Chế độ quá độ sự cố: xảy ra khi có sự cố trong hệ thống điện yêu cầu

không gây hại cho hệ thống điện loại trừ nhanh nhất có thể.

2.1.2. Chế độ xác lập bình thƣờng

Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng

(CSTD) và công suất phản kháng (CSPK). Công suất do các nguồn sinh ra phải

bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử

của hệ thống điện.

Pf = Ppt + P = P (2.1)

Qf = Qpt + Q = Q (2.2)

Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống điện, ảnh hưởng

của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy tần số của hệ thống điện có thể xem là

chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSTD.

Sự biến đổi của CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của hệ thống điện.

Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSPK.

Trong hệ thống điện các điều kiện cân bằng công suất được đảm bảo một

cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các điều kiện

cân bằng công suất được thõa mãn.

Ví dụ, khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó ta tăng CSTD của nguồn

lên lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên

theo cho tới khi cân bằng với công suất của nguồn. Hay khi đóng thêm một phụ tải

CSPK thì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản kháng

khác sẽ giảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK. Tất nhiên sự điều chỉnh này

chỉ thực hiện được trong phạm vi cho phép.

Điều kiện đủ : CĐXL luôn bị kích động bởi các kích động lớn, nhỏ do sự

biến đổi không ngừng của phụ tải và sự cố các loại.

Các kích động nhỏ xảy ra liên tục, tác động vào cân bằng công suất tác dụng

trên máy phát điện và cân bằng công suất tác dụng trên máy phát điện và cân bằng

công suất ở các nút phụ tải, cho nên chế độ xác lập muốn tồn tại phải chịu được các

kích động này. Nói cách khác, hệ thống điện phải có ổn định tĩnh và ổn định điện

áp, tức khả năng phục hồi chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ. Đây chính là

điều kiện đủ để chế độ xác lập tồn tại.

Nếu muốn tồn tại lâu dài, hệ thống điện phải chịu được các kích động lớn,

nói cách khác, hệ thống điện phải có ổn định động, tức khả năng phục hồi chế độ

xác lập sau khi bị kích động lớn.

Chế độ xác lập được dùng trong thực tế phải thõa mãn điều kiện ổn định tĩnh

và ổn định động.

Ổn định tĩnh

Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của

thiết bị điều chỉnh …Các kích động này tác động lên roto của máy phát, phá hoại sự

cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị dao động. CĐXL

muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân

bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân

bằng công suất phải được khôi phục sau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta

nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh.

Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh : ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện

khôi phục lại chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.

Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thực

tế.

Ổn định động.

Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên độ

khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi

của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch…Các kích động lớn tác động làm cho cân

bằng công suất Cơ – Điện bị phá vỡ đột ngột, CĐXL tương ứng bị dao động rất

mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này mà CĐXL không

bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của hệ thống điện.

Ta có định nghĩa ổn định động : ổn định động là khả năng của hệ thống điện

khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích

động lớn.

Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn tại

lâu dài [1].

2.2. Tổng quan về ổn định hệ thống điện

2.2.1. Đặc điểm hoạt động của hệ thống điện

Điện năng là sản phẩm không thể dự trữ được mà phụ tải yêu cầu đến đâu thì

hệ thống điện sản xuất đến đó. Công suất của nguồn điện phải luôn luôn cân bằng

với công suất sử dụng của phụ tải. Công suất của phụ tải luôn biến đổi theo thời

gian, do đó công suất phát cũng phải biến đổi không ngừng để đáp ứng. Các thông

số chất lượng điện năng biến đổi theo phụ tải do đó phải được điều chỉnh liên tục.

Các quá trình xảy ra trong hệ thống điện rất nhanh, từ phần trăm giây đến vài

chục giây. Ví dụ sau khi xảy ra ngắn mạch thì trong vòng 0,01 giây dòng điện ngắn

mạch đạt tới đỉnh nguy hiểm. Do đó trong hệ thống điện phải sử dụng các thiết bị có

phản ứng rất nhanh để điều khiển chế độ.

Hệ thống điện chịu tác động của quá trình già hóa thiết bị, quá trình này gây

ra những hỏng hóc ngẫu nhiên, dẫn đến ngừng cung cấp điện. Do đó hệ thống điện

phải được tổ chức bảo dưỡng định kỳ để phục hồi khả năng làm việc và thay thế

thiết bị hết hạn sử dụng.

Hệ thống điện chịu tác động mạnh của môi trường, nhất là môi trường địa lý

có thể gây ra thiếu năng lượng sơ cấp (do khô hạn…), hỏng hóc thiết bị dẫn đến mất

điện (sấm sét, gió bão, lũ lụt, sinh vật gây ngắn mạch…), do đó hệ thống điện phải

có dự phòng khá lớn công suất nguồn và năng lượng sơ cấp, phải có hệ thống vận

hành hoàn hảo, hệ thống tự động chống sự cố để giảm thấp nhất các thiệt hại.

Hệ thống điện là một khối thống nhất trải rộng khắp đất nước làm cho việc

điều khiển hoạt động và truyền tin rất khó khăn. Do đó để điều khiển tốt hoạt động,

hệ thống phải được phân cấp điều khiển và phải được trang bị các kỹ thuật điều

khiển, đo lường và thông tin hoàn hảo.

Hệ thống điện không ngừng phát triển trong không gian và theo thời gian, do

đó đòi hỏi hệ thống vận hành cũng phải phát triển không ngừng về số lượng và chất

lượng để thích ứng.

Hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân phối có mối quan hệ

tương tác lẫn nhau rất phức tạp, chịu tác động, ảnh hưởng của nhiều yếu tố như các

đặc điểm đã nêu ở trên, chịu vô số các nhiễu tác động lên hệ thống. Tuy nhiên hệ

thống điện phải đảm bảo được tính ổn định trong quá trình làm việc.

2.2.2. Ổn định hệ thống điện

Ổn định hệ thống điện là khả năng hệ thống điện đang làm việc ở trạng thái

vận hành này có thể làm việc ở trạng thái vận hành mới sau khi chịu tác động của

các kích động tự nhiên.

Xét sự ổn định của hệ cơ học sau :

A A

(a) (b)

Hình 2.1 Sự ổn định của hệ cơ học

Ta thấy rằng hệ thống banh lăn có hai loại điểm cân bằng hay hai trạng thái nghỉ,

các điểm cân bằng này như sau:

- Điểm cân bằng ổn định A : sau các dao động lớn hay nhỏ banh sẽ trở lại vị trí ban

đầu.

- Điểm cân bằng không ổn định B : tại đó banh sẽ bị rời vị trí B nếu chỉ cần một tác

động nhẹ.

Sự ổn định của banh được định nghĩa như là khả năng của banh trở lại trạng

thái nghỉ lâu dài A (điểm vận hành bình thường trong hệ thống kỹ thuật) sau các

dao động nhỏ hoặc lớn. Hệ thống là bền nếu banh trở lại điểm cân bằng ổn định

của nó sau khi bị tác động.

Ổn định hệ thống điện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn định

sau khi chịu tác động nhiễu. Đây là điều kiện thiết yếu để hệ thống có thể tồn tại và

vận hành. Ở chế độ xác lập để tồn tại cần phải có sự cân bằng công suất trong hệ

(khi đó các thông số của hệ mới giữ không đổi) và đồng thời phải duy trì được độ

lệch nhỏ của các thông số dưới những kích động ngẫu nhiên nhỏ (làm các thông số

này lệch khỏi các giá trị tại điểm cân bằng). Hoặc do tác động của những thao tác

đóng cắt, hệ thống điện cần phải chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái

xác lập khác.

Ổn định hệ thống điện nhằm đáp ứng chất lượng điện năng phục vụ tốt nhất.

Chất lượng điện năng bao gồm : chất lượng tần số và chất lượng điện áp.

Chất lượng tần số : được đánh giá bằng

- Độ lệch tần số so với tần số định mức :

(2.3)

- Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép :

(2.4)

Cũng có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép :

(2.5)

Trong đó :

- Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất

của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%. Độ dao động tần số

không được lớn hơn giá trị cho phép.

Điều chỉnh tần số : điều chỉnh tần số gồm 3 giai đoạn

- Điều chỉnh cấp 1 hay điều chỉnh tốc độ (điều chỉnh sơ cấp), do thiết bị tự

động điều chỉnh tốc độ của máy phát tự động thực hiện, giữ tần số ở giá trị chấp

nhận được.

- Điều chỉnh cấp 2 hay điều chỉnh tần số, do điều độ viên thực hiện hoặc tự

động thực hiện nhờ thiết bị tự động điều chỉnh tần số. Đưa tần số về giá trị định

mức hoặc trong miền độ lệch cho phép tùy thuộc hệ thống điều tần sử dụng.

- Điều chỉnh cấp 3 nhằm mục đích phân bố lại công suất giữa các nhà máy

điện theo điều kiện kinh tế.

2.2.3. Phân loại ổn định hệ thống điện

Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như ổn định góc

rotor, tần số và điện áp. Phân loại ổn định trong hệ thống điện được trình bày trong

sơ đồ sau :

Hình 2.2 Phân loại ổn định hệ thống điện.

Trong đề tài này nghiên cứu ổn định điện áp hệ thống điện dưới tác động nhiễu

loạn nhỏ, liên tục.

2.2.4. Giới hạn ổn định trong hệ thống điện

Việc phát và truyền tải công suất tác dụng và công suất phản kháng bị ràng

buộc bởi các giới hạn sau :

Giới hạn điện áp :

Các thiết bị điện của điện lực và khách hàng được thiết kế để hoạt động ở

công suất định mức hoặc điện áp định mức. Phần lớn, sự lệch áp kéo dài so với

điện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc và có thể phá hủy thiết

bị. Dòng điện chạy trong đường dây truyền tải gây ra một sụt áp lớn không mong

muốn trên đường dây của hệ thống. Điện áp rơi là nguyên nhân chính gây nên tổn

thất công suất phản kháng. Tổn thất này xảy ra ngay khi có dòng điện chạy trong hệ

thống. Nếu công suất phát ra từ các máy phát điện hoặc các nguồn phát khác là

không đủ để cung cấp cho nhu cầu của hệ thống, thì điện áp sẽ bị giảm.

Giới hạn chấp nhận là +6% giá trị điện áp định mức (Phụ thuộc vào tiêu

chuẩn cho phép của từng cấp điện áp và từng quốc gia khác nhau). Hệ thống thường

yêu cầu hỗ trợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp giảm thấp.

Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hỗ trợ thường được xác định theo giới hạn

truyền tải công suất. Hệ thống có thể bị hạn chế đến mức thấp công suất tác

dụng truyền tải hơn mong muốn bởi vì hệ thống không đáp ứng yêu cầu dự trữ

công suất phản kháng đủ để hỗ trợ điện áp.

Giới hạn nhiệt :

Các giới hạn nhiệt do khả năng chịu nhiệt của các thiết bị hệ thống điện.

Ngay khi công suất truyền tải gia tăng, biên độ dòng điện gia tăng, dẫn đến hư hỏng

quá nhiệt. Cho ví dụ, trong các nhà máy điện, việc vận hành liên tục các thiết bị ở

mức giới hạn vận hành tối đa sẽ dẫn đến hư hỏng do nhiệt, ví dụ có thể là cuộn dây

stator hoặc cuộn dây rotor của máy phát điện. Cả công suất tác dụng và phản

kháng đều tác động đến biên độ dòng điện. Ngoài ra trong hệ thống điện, các đường

dây truyền tải và thiết bị liên quan cũng phải vận hành có các giới hạn nhiệt. Việc

phải thường xuyên vận hành quá tải các đường dây trên không làm cho cấu trúc kim

loại của dây dẫn bị phá vỡ, làm giảm khả năng dẫn điện của chúng. Quá tải liên tục

sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị do giảm cách điện. Hầu hết các thiết bị điện có thể

được quá tải cho phép, chú ý giới hạn quá tải và thời gian quá tải.

Giới hạn ổn định :

Ổn định hệ thống điện là khả năng của hệ thống để duy trì trạng thái vận hành

cân bằng trong những điều kiện vận hành bình thường và trở lại trạng thái cân bằng

sau khi chịu tác động của các nhiễu loạn. Mất ổn định trong hệ thống điện được thể

hiện dưới nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và chế độ vận

hành. Thông thường, ổn định là việc duy trì tất cả các máy phát đồng bộ trong hệ

thống điện làm việc đồng bộ với nhau.

Xem xét giới hạn ổn định của hệ thống gồm 2 nguồn và hai đường dây song

song với nhau như hình 2.3:

Hình 2.3: Hệ thống điện.

Công suất tác dụng truyền tải giữa hai thanh cái là phụ thuộc vào góc δ. Khi

xảy ra sự cố trên đường dây 1- 2 thì máy cắt 1 và máy cắt 2 cắt ra, điểm ngắn mạch

được cô lập. Hệ thống điện đang làm việc ổn định tại điểm góc ban đầu δ0 thì xảy ra

ngắn mạch, đường công suất của hệ thống bị sự cố giảm thấp đột ngột do tổng trở

của đường dây tăng lên, góc δ = δ0, hệ thống bảo vệ rơle cắt nhanh sự cố tại điểm

máy cắt cắt nhanh. Tại điểm 3 do công suất P điện lớn hơn công suất cơ PM của tua-

bin nên máy phát bắt đầu hãm tốc cho đến điểm 4 và trở về lại điểm 5 xác lập một

trạng thái ổn định mới với góc δss.

Nếu tại điểm 4 máy phát không được hãm tốc và tiếp tục trượt dài nữa thì làm

cho mất ổn định đồng bộ.

Vậy giới hạn ổn định của hệ thống điện là phần diện tích Stt phải nhỏ hơn phần

diện tích hãm tốc Sht.

Phân tích góc ổn định công suất hệ thống điện là nghiên cứu đặc tính động của

hệ thống điện. Đặc tính động liên quan đến sự thay đổi giá trị của dòng công suất,

điện áp, góc và tần số sau khi hệ thống chịu tác động của những nhiễu loạn lớn hoặc

nhỏ.

Hình 2.4: Đường cong công suất - góc

Ổn định góc công suất là được chia thành hai dạng: Ổn định quá độ và ổn định

dao động bé.

+ Ổn định quá độ :

Ổn định quá độ được định nghĩa là khả năng của hệ thống để duy trì sự đồng

bộ khi chịu tác động của các nhiễu loạn lớn. Nó được xác định bằng cách hệ thống

đáp ứng được các nhiễu loạn lớn. Hệ thống được gọi là ổn định quá độ nếu nó có

thể vượt qua được nhiễu loạn ban đầu và trở lại ổn định, ngược lại hệ thống là

không ổn định nếu nó không thể vượt qua được.

Đối với một hệ thống ổn định, khi bất ngờ xảy ra một nhiễu loạn lớn, giá trị

góc hệ thống bắt đầu tăng đến đỉnh điểm và sau đó bắt đầu giảm, làm cho hệ thống

ổn định quá độ. Kết quả là hệ thống đáp ứng độ lệch phức tạp của góc rotor máy

phát. Ổn định phụ thuộc vào trạng thái vận hành ban đầu của hệ thống và độ lớn của

nhiễu loạn.

Hình 2.5: Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định quá độ (a) và hệ thống

mất ổn định (b).

Nhiều hệ thống điện phải giới hạn truyền tải công suất của chúng để có lợi cho ổn

định quá độ. Nói chung, hệ thống điện với đường dây truyền tải dài và nhà máy ở xa

dễ bị mất ổn định quá độ. Phương pháp để phân tích giới hạn quá độ là nghiên cứu

sự thay đổi góc rotor của tất cả các máy phát điện đồng bộ kết nối đến hệ thống sau

khi hệ thống bị tác động bởi các nhiễu loạn lớn. Kỹ thuật sử dụng phần mềm máy

tính tích hợp để phân tích ổn định quá độ của hệ thống.

+ Ổn định dao động bé :

Ổn định dao động bé là khả năng của của hệ thống điện trở lại ổn định sau khi

chịu tác động từ các nhiễu loạn bé. Ổn định dao động là đặc tính liên quan đến biên

độ và độ dài của các nhiễu loạn hệ thống điện. Nhiễu loạn điện áp, tần số, góc và

dòng công suất có thể bị tác động từ nhiều yếu tố khác nhau. Các nhiễu loạn bé có

thể phát triển thành lớn làm hệ thống điện mất ổn định.

Hình 2.6: Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định dao động bé (a), hệ thống

ổn định dao động (b), hệ thống mất ổn định (c).

2.3. Ổn định điện áp trong hệ thống điện

2.3.1. Khái niệm

Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống

nằm trong phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau các kích

động.

2.3.2. Các tiêu chuẩn ổn định áp

Độ lệch điện áp so với điện áp định mức của lưới điện :

(2.6)

U là điện áp thực tế trên cực các thiết bị dùng điện, phải thỏa mãn điều

kiện :

, là giới hạn trên và giới hạn dưới của độ lệch điện áp.

Tiêu chuẩn về độ lệch điện áp của các nước khác nhau.

Khi điện áp quá cao làm tuổi thọ thiết bị dùng điện giảm, nhất là thiết bị

chiếu sáng, còn khi điện áp thấp quá làm cho các thiết bị dùng điện giảm công suất,

nhất là đèn điện. Điện áp cao hoặc thấp quá đều gây ra phát nóng phụ cho thiết bị

dùng điện, làm giảm tuổi thọ và năng suất công tác, làm hỏng sản phẩm…nếu thấp

quá thì nhiều thiết bị dùng điện không làm việc được.

Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến giá

thành hệ thống điện.

Độ dao động điện áp

Sự biến thiên nhanh của điện áp được tính theo công thức:

(2.7)

Tốc độ từ Umax đến Umin không nhỏ hơn 1%/s.

Dao động điện áp gây ra dao động ánh sáng, làm hại mắt người lao động, gây

nhiễu máy thu thanh, máy thu hình và các thiết bị điện tử…

Độ dao động điện áp được hạn chế trong miền cho phép.

Ví dụ :

- Tiêu chuẩn Nga quy định dao động điện áp trên cực các thiết bị chiếu sáng

như sau :

Trong đó : n số dao động trong 1 giờ; thời gian trung bình giữa 2 dao

động (phút).

Theo tiêu chuẩn này, nếu 1 giờ có 1 dao động thì biên độ được phép là 7%.

Đối với các thiết bị có sự biến đổi đột ngột công suất trong vận hành chỉ cho phép

đến 1,5%. Còn đối với các phụ tải khác không được chuẩn hóa, nếu >15% sẽ

dẫn đến hoạt động sai của khởi động từ và các thiết bị điều khiển.

Độ không đối xứng

Phụ tải các pha không đối xứng dẫn đến điện áp các pha không đối xứng, sự

không đối xứng này được đặc trưng bởi thành phần thứ tự nghịch U2 của điện áp.

Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết bị

dùng điện, giảm khả năng tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng.

Độ không sin

Các thiết bị dùng điện có đặc tính phi tuyến như máy biến áp không tải, bộ

chỉnh lưu, thyristor…làm biến dạng đường đồ thị điện áp, khiến nó không còn là

hình sin nữa và xuất hiện các sóng hài bậc cao Uj, Ij. Các sóng hài bậc cao này góp

phần làm giảm điện áp trên đèn điện và thiết bị sinh nhiệt, làm tăng thêm tổn thất

sắt từ trong động cơ, tổn thất điện môi trong cách điện, tăng tổn thất trong lưới điện

và thiết bị dùng điện, giảm chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ thống cung cấp điện,

gây nhiễu máy thu thanh, máy thu hình và các thiết bị điện tử khác…[1]

2.3.3. Nguyên nhân làm mất ổn định điện áp

Hệ thống có thể rớt vào trạng thái mất ổn định điện áp vì những

nguyên nhân sau:

- Những kích động nhỏ trong hệ thống xuất hiện như do yêu cầu công suất

phụ tải thay đổi hay thay đổi đầu phân áp tại các trạm biến áp.

- Những kích động lớn như việc mất tải đột ngột vì một lý do nào đó; tình

trạng quá tải trên đường dây hoặc sự cố thay đổi cấu trúc mạng lưới.

- Yêu cầu về cung cấp công suất phản kháng của các phụ tải cũng là một yếu

tố dẫn đến dao động điện áp.

- Các điều kiện vận hành của hệ thống như : khoảng cách giữa nguồn và phụ

tải xa, đồ thị phụ tải không thuận lợi, sự phối hợp giữa các thiết bị và bảo vệ chưa

hiệu quả.

2.3.4. Phân loại ổn định điện áp

Phân loại ổn định điện áp dựa trên nguyên nhân tác động gây mất ổn định

điện áp:

+ Ổn định điện áp nhiễu loạn lớn (ổn định động): Khả năng của hệ thống

điện để duy trì ổn định điện áp ngay sau khi các nhiễu loạn lớn xảy ra như các sự

cố hệ thống, ngắt máy phát điện, hoặc ngắn mạch… Khả năng này được xác định

bởi đặc tính của hệ thống và phụ tải, và ảnh hưởng của cả hệ thống điều khiển và

bảo vệ. Nghiên cứu ổn định này quan tâm trong khoảng thời gian từ một vài giây

đến 10 phút.

+ Ổn định điện áp nhiễu loạn bé (ổn định tĩnh): Khả năng của hệ thống để

duy trì ổn định điện áp khi hệ thống xảy ra các dao động bé như việc gia tăng sự

thay đổi trong hệ thống phụ tải. Đây là dạng ổn định bị ảnh hưởng bởi đặc tính của

phụ tải, việc điều khiển liên tục và điều khiển gián đoạn ở thời gian tức thời đã cho

trước.

+ Ổn định điện áp trong ngắn hạn: liên quan đến tác động của các thành

phần phụ tải thay đổi nhanh như mô-tơ cảm ứng, phụ tải có điều khiển bằng thiết bị

điện tử ... Nghiên cứu quá trình trong khoảng vài giây.

+ Ổn định điện áp trong dài hạn: liên quan đến các thiết bị hoạt động chậm

hơn như máy biến áp điều nấc, các phụ tải có điều khiển theo nhiệt độ và các máy

phát điện có bộ hạn dòng. Thời gian quá độ có thể được mở rộng một vài phút và

dài hơn nữa.[1]

2.3.5. Điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện

Chất lượng điện áp được đảm bảo nhờ các biện pháp điều chỉnh điện áp

trong lưới truyền tải và phân phối. Các biện pháp điều chỉnh điện áp và thiết bị để

thực hiện được chọn lựa trong quy hoạch, thiết kế lưới điện và hoàn thiện thường

xuyên trong vận hành.

Để điều chỉnh điện áp phải điều chỉnh công suất phản kháng của nguồn điện

và các nguồn công suất phản kháng khác. Vì điện áp có tính chất khu vực nên điều

chỉnh điện áp cũng phải phân cấp và phân tán. Điều chỉnh điện áp bao gồm điều

chỉnh công suất phản kháng của nhà máy điện, các bộ tụ bù có điều khiển được đặt

ở nhiều nơi trong hệ thống điện, phân bố lại dòng công suất phản kháng trên lưới

điện bằng cách điều chỉnh dưới tải các đầu phân áp của các máy biến áp ở trạm khu

vực và trung gian có đặt điều áp dưới tải. Các đầu phân áp của các máy biến áp điều

chỉnh ngoài tải phải được chọn phù hợp. Các điều chỉnh điện áp phải được phối hợp

với nhau để đạt hiệu quả chung cao nhất.

Chú ý rằng điều chỉnh điện áp gồm nhiều cấp mà chỉ ở cấp lưới phân phối

trung, hạ áp mới nhằm đáp ứng trực tiếp được yêu cầu chất lượng điện áp của phụ

tải, vì chất lượng điện áp được đánh giá trên cực các thiết bị dùng điện. Điều chỉnh

điện áp ở các cấp cao hơn nhằm vào mục đích của hệ thống điện là giảm tổn thất

công suất và đảm bảo điều kiện thuận lợi cho điều chỉnh điện áp ở cấp lưới phân

phối.

Điều kiện cần để điều chỉnh điện áp là nguồn điện phải có dư thừa công suất

phản kháng và điều kiện đủ là các công suất phản kháng đó phải điều chỉnh được.

Sự biến đổi điện áp trên lưới hệ thống

Tổn thất điện áp trên lưới hệ thống được tính như sau :

(2.8)

(2.9)

Trên lưới hệ thống X>>R nên có thể viết :

Ta thấy điện áp trên lưới hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào dòng công suất

phản kháng Q và sơ đồ lưới điện X. Bù công suất phản kháng làm giảm tổn thất

điện áp và giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện.

Có 2 loại biến thiên điện áp trên lưới hệ thống :

- Biến đổi chậm gây ra bởi sự biến đổi tự nhiên của phụ tải theo thời gian.

- Biến đổi nhanh do nhiều nguyên nhân khác nhau : Sự dao động điều hòa

hoặc ngẫu nhiên của phụ tải, sự biến đổi sơ đồ lưới điện, hoạt động của rơle bảo vệ

và các thiết bị tự động hóa, khởi động hay dừng tổ máy phát.

Mục tiêu điều chỉnh điện áp.

- Giữ vững điện áp trong mọi tình huống vận hành bình thường cũng như sự

cố, trong phạm vi cho phép xác định bởi giới hạn trên và dưới.

Giới hạn trên xác định bởi khả năng chịu áp của cách điện và hoạt động bình

thường của các thiết bị cao áp và siêu cao áp. Nếu điện áp tăng cao sẽ làm già hóa

nhanh cách điện và làm cho thiết bị hoạt động không chính xác.

Giới hạn dưới xác định bởi điều kiện an toàn hệ thống, tránh quá tải đường

dây và máy biến áp (trong lưới điện có điều áp dưới tải khi P là hằng số, nếu U

giảm I sẽ tăng gây quá tải), tránh gây mất ổn định điện áp (hiện tượng suy áp).

Giới hạn trên đây là giới hạn kỹ thuật hay điều kiện kỹ thuật. Trong lưới điện

220 KV trở lên, điện áp chỉ được phép dao động trong khoảng 5% so với Uđm. Với

mức giới hạn này thì việc điều chỉnh dưới tải ở các máy biến áp khu vực và trung

gian sẽ rất thuận lợi.

- Trong giới hạn kỹ thuật cho phép, giữ mức điện áp sao cho tổn thất công

suất tác dụng nhỏ nhất.

Phương tiện điều chỉnh điện áp

- Điều chỉnh kích từ máy phát điện

- Điều chỉnh dưới tải hệ số biến áp (đầu phân áp) ở máy biến áp tăng áp và

máy biến áp hạ áp theo thời gian.

- Điều chỉnh điện áp ở các máy biến áp bổ trợ chuyên dùng có điều chỉnh

điện áp.

- Điều chỉnh công suất phản kháng của các nguồn công suất phản kháng đặt

trên lưới : nguồn điều khiển hai chiều vô cấp (SVC) và tụ điện, kháng điện điều

khiển hữu cấp.

- Điều chỉnh ngoài tải đầu phân áp ở các máy biến áp chỉ có đầu phân áp cố

định, điều chỉnh theo mùa.

Phương thức điều chỉnh điện áp

Theo hệ thống điều chỉnh của EDF

- Điều chỉnh sơ cấp là quá trình đáp ứng nhanh và tức thời các biến đổi điện

áp nhanh và ngẫu nhiên bằng tác động của các thiết bị điều chỉnh điện áp máy phát

và các máy bù tĩnh. Trong trường hợp điện áp biến đổi lớn thì các bộ tự động điều

áp dưới tải ở các máy biến áp cũng tham gia vào quá trình điều chỉnh. Điều chỉnh sơ

cấp thực hiện tự động trong thời gian rất nhanh. Điều chỉnh sơ cấp nhằm mục đích

giữ điện áp lưới điện ở mức an toàn, tránh nguy cơ suy áp trong chế độ bình thường

và nhất là khi sự cố,

- Điều chỉnh thứ cấp để đối phó với các biến đổi chậm và có biên độ lớn của

điện áp. Điều chỉnh thứ cấp hiệu chỉnh lại các giá trị điện áp chỉ định của các thiết

bị điều chỉnh sơ cấp của các máy phát và các bộ tụ bù có điều khiển tự động trong

miền nó đảm nhận. Quá trình này kết thúc trong vòng 3 phút.

- Điều chỉnh cấp 3 điều hòa mức điện áp giữa các miền điều chỉnh cấp 2, tối

ưu hóa mức điện áp của hệ thống điện theo tiêu chuẩn kinh tế và an toàn. Quá trình

này có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động.

Ba cấp điều chỉnh trên được phân biệt theo thời gian và trong không gian.

Theo thời gian để tránh mất ổn định của quá trình điều chỉnh, trong không gian để

có thể chiếu cố ưu tiên các yêu cầu khu vực.[1]

2.3.6. Đánh giá ổn định áp qua đƣờng cong PV, QV

Mất ổn định điện áp có ảnh hưởng mở rộng đến toàn hệ thống điện vì nó phụ

thuộc vào quan hệ giữa công suất tác dụng truyền tải P, công suất phản kháng Q

bơm vào nút và điện áp cuối đường dây V. Các quan hệ này đóng vai trò hết sức

quan trọng trong phân tích ổn định điện áp và thường được thể hiện dưới dạng các

đường đặc tuyến trên đồ thị.

Nhờ các đường đặc tuyến này ta sẽ phân tích sự ổn định của hệ thống, trong

phân tích ổn định điện áp ta thường dùng 2 loại đường cong hay còn gọi là đặc

tuyến : Đặc tuyến PV và đặc tuyến QV.

Đặc tuyến PV

Hình 2.7: Dạng đường cong PV điển hình

Hình trên biểu diễn dạng tiêu biểu của đường cong PV. Nó thể hiện sự thay

đổi điện áp tại từng nút, được xem là một hàm của tổng công suất tác dụng truyền

đến nút đó. Có thể thấy rằng tại điểm tới hạn (còn gọi là điểm “mũi”) của đường

cong PV, điện áp sẽ giảm rất nhanh khi phụ tải tăng lên. Hệ thống sẽ bị sụp đổ điện

áp nếu công suất vượt quá điểm tới hạn này. Như vậy, đường cong này có thể được

sử dụng để xác định điểm làm việc giới hạn của hệ thống để không làm mất ổn định

điện áp hoặc sụp đổ điện áp, từ đó xác định độ dự trữ ổn định điện áp của hệ thống.

Đặc tuyến QV

Hình 2.8 Dạng đường cong QV điển hình

Ảnh hưởng của công suất phản kháng của phụ tải hay thiết bị bù được biểu

diễn rõ ràng trong quan hệ đường cong QV. Nó chỉ ra độ nhạy và biến thiên của

điện áp nút đối với lượng công suất phản kháng bơm vào hoặc tiêu thụ.

Đặc tuyến QV xác định được độ dự trữ công suất phản kháng là khoảng cách

từ điểm vận hành đến điểm mũi của nút ứng với một chế độ vận hành. Nếu độ

dự trữ công suất phản kháng lớn thì biểu thị nút đó đạt được độ dự trữ ổn định điện

áp tốt và nếu độ dự trữ công suất phản kháng càng nhỏ thì độ dự trữ ổn định điện áp

tại nút đó càng thấp.

CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ THỐNG

ĐIỆN ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP.

3.1 Bù công suất phản kháng

3.1.1 Công suất phản kháng

- Trong hệ thống điện có các khái niệm: công suất tác dụng P (kW), công suất

phản kháng (kVAr) và công suất biểu kiến (kVA).

- Công suất tác dụng P: Tác dụng sinh công biến đổi điện năng thành các dạng

năng lượng khác như cơ năng, nhiệt - quang năng … Vì vậy công suất P gọi là

năng lượng hữu công.

- Công suất phản kháng Q : Không sinh công mà chỉ chạy trong lưới điện. Vì

vậy còn gọi là công suất vô công, tuy nhiên công suất phản kháng cần thiết để tạo từ

trường phục vụ thực hiện quá trình biến đổi năng lượng.

Do đó trong vận hành người ta mong muốn sử dụng CSPK của lưới điện càng

ít càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt động bình thường. Một vấn đề khác là trong

quá trình truyền tải điện năng từ nơi sản xuất điện (các nhà máy thủy điện, nhiệt

điện...) đến nơi tiêu thụ thì có tổn hao trên đường dây truyền tải làm điện áp tại các

điểm cách xa nguồn bị suy giảm, do đó để đảm bảo cho điện áp không bị suy giảm

lớn thì cần bù CSPK. CSPK cung cấp cho tải tiêu thụ không nhất thiết phải lấy từ

nguồn vì vậy để tránh truyền tải một lượng CSPK lớn người ta đặt gần các tải tiêu

thụ các thiết bị sinh CSPK như SVC, STATCOM …để cung cấp trực tiếp cho tải.

Việc thực hiện như vậy gọi là bù CSPK [4].

3.1.2 Nguyên lý bù công suất phản kháng

Xét việc truyền công suất của mô hình đơn giản hệ thống truyền tải điện 2

bus được kết nối bằng một đường dây truyền tải.

Giả định rằng : Có tổn thất và được thể hiện bằng điện kháng XL.

Điện áp của hai bus là V1∟δ1 và V2∟δ2.

Góc lệnh pha điện áp giữa 2 bus là:

δ = δ1 – δ

Bus 1 Bus 2

(a)

V1< δ1 VL

V2 < δ2 (b)

P P1 = P2

Pmax

P1 = P2 =

π/2 (c)

Hình 3.1: Hệ thống truyền tải điện: (a) mô hình đơn giản, (b) giản đồ pha,

Biên độ của dòng điện chạy trong đường dây truyền tải:

(3.1)

Thành phần tác dụng và thành phần phản kháng của dòng điện chạy trong bus 1:

, (3.2)

Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại bus 1:

, (3.3)

Tương tự, thành phần tác dụng và thành phần phản kháng của dòng điện chạy trong

bus 2:

, (3.4)

Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại bus 2:

( )

(3.5) , Q2 =

Từ các phường trình phân tích trên ta thấy rằng dòng điện, công suất tác dụng và

công suất phản kháng có thể được điều chỉnh bằng cách điều khiển điện áp, góc pha

và tổng trở của hệ thống truyền tải [12].

Hình 3.2 : Minh họa nguyên lý bù công suất phản kháng

Hình 3.3 : Giản đồ véc tơ điện áp và dòng điện của bù công suất phản kháng

Hình 3.4 : Giản đồ vec tơ công suất của bù công suất phản kháng

Ta thấy khi bù công suất phản kháng thì góc φ giảm → cos φ tăng. Vậy việc

bù công suất phản kháng thực chất là nâng cao hệ số công suất.

Khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc

tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, bù công suất phản kháng trong hệ thống

điện có 2 cách :

Bù song song (bù ngang): thông dụng nhất là bù kháng song song được sử

dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải điện để điều chỉnh biên độ điện áp, cải thiện

chất lượng điện áp và nâng cao ổn định hệ thống. Cuộn kháng đấu nối song song sử

dụng để giảm quá điện áp đường dây bằng cách hấp thụ công suất phản kháng.

Trong khi đó, tụ bù kết nối song song sử dụng để duy trì mức điện áp bằng cách bù

công suất phản kháng đến đường dây truyền tải.

Bù nối tiếp (bù dọc): Mục đích của bù nối tiếp để điều khiển trực tiếp

tổng trở nối tiếp của cả đường dây truyền tải điện. Bù nối tiếp có thể giảm được

tổng trở nối tiếp đường dây.gia tăng điện áp chống lại sụt áp của đường dây truyền

tải.

3.1.3. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng

- Giảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được CSPK truyền tải

trên đường dây.

- Giảm được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần kháng

do CSPK gây ra.

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp. Khả năng truyền tải

của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng tức phụ thuộc vào

dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được

tính theo công thức :

(3.6)

Biểu thức này chứng tỏ rằng, cùng một trạng phát nóng nhất định của đường

dây và máy biến áp (I = const) ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng

P bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi. Vì thế khi giữ

nguyên đường dây và máy biến áp nếu hệ số công suất được nâng cao tức là giảm

được lượng CSPK phải truyền tải thông qua bù CSPK thì khả năng tải của chúng

được nâng cao [4].

Thiếu công suất phản kháng để hổ trợ cho hệ thống là một trong những

nguyên nhân chính dẫn đến mất ổn định điện áp của hệ thống điện. Việc cải thiện

khả năng điều khiển công suất phản kháng của hệ thống bằng thiết bị điện là các

biện pháp để ngăn chặn mất ổn định điện áp và hơn nữa là sụp đổ điện áp. Để thực

hiện việc bù công suất phản kháng sử dụng các thiết bị bù sau:

Tụ điện tĩnh: Khi có điện áp đặt vào tụ thì có dòng điện chạy qua tụ, dòng này vượt trước điện áp một góc 900 do đó phát ra CSPK. Để đóng cắt tụ điện vào

đường dây người ta sử dụng các thyristor, thông qua việc điều chỉnh đóng cắt các

thyristor sẽ điều chỉnh được dung lượng CSPK cần bù.

Máy bù đồng bộ: Thực chất là động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích

thích. Máy bù đồng bộ thường chỉ được dùng ở những nơi yêu cầu khắt khe về chế

độ bù và thường được dùng ở lưới trung áp.

Các thiết bị bù trên vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu về phản ứng nhanh

nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng.

Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS - Flexible AC

Transmission System) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy

cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc.

3.2. Thiết bị FACTS (FACTS-Flexible AC Transmission System)

FACTS được định nghĩa bởi IEEE : “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử

công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ

thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khả

năng truyền tải công suất”.

Ƣu điểm của thiết bị FACTS :

- Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS.

- Giảm chi phí đầu tư.

- Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải.

- Tăng độ ổn định quá độ của lưới.

- Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các

ngành có yêu cầu chất lượng điện năng cao.

- Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh.

Các thiết bị FACTS thƣờng đƣợc sử dụng :

- SVC (Static Var Compensator): Bộ bù công suất VAR tĩnh.

- UPFC (Unified Power Flow Controller): Bộ điều khiển dòng công suất hợp

nhất.

- STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh.

- TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator): Bộ bù dọc điều khiển

thyristor.

- SSSC (Static synchronous series compensator): Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh.

- HVDC (Hight voltage direct current): Dòng một chiều điện áp cao.

Khả năng ứng dụng của các thiết bị FACTS :

Giữ được khả năng tải của đường dây gần với giới hạn phát nóng. Nâng cao khả

năng truyền tải công suất giữa các phần tử của hệ thống, do đó giảm được dự trữ

chung của hệ thống. Phòng ngừa được sự cố lan truyền do hạn chế được ảnh hưởng

của sự cố và hỏng hóc các phần tử. Giảm được dao động điện áp có thể gây hại đến

các phần tử của hệ thống. Giảm dao động công suất, tăng độ ổn định tĩnh và động

của hệ thống, chống sự cố nghẽn mạch hệ thống.

3.3.Tổng quan về Statcom

STATCOM (Static Synchronous Compensator) là thiết bị bù đồng bộ tĩnh,

trong đó có bộ chuyển đổi nguồn áp (VSC-Voltage Source Converter), nó là một bộ

tự biến đổi công suất cung cấp từ một nguồn điện thích hợp và hoạt động tạo ra một

bộ điều chỉnh điện áp nhiều pha.Thiết bị này được dùng trong lưới điện xoay chiều

3 pha để thực hiện điều chỉnh, điều khiển một cách độc lập công suất tác dụng và

công suất phản kháng. Để điều khiển bù công suất phản kháng trong hệ thống điện

thường sử dụng cấu hình STATCOM biến đổi. STATCOM đã được định nghĩa với

ba chức năng hoạt động. Chức năng đầu tiên là bộ chuyển đổi tĩnh: nguyên lý dựa

trên các thiết bị chuyển đổi không có thành phần quay, chức năng thứ hai là thiết bị

đồng bộ : tương tự như một máy đồng bộ lý tưởng với điện áp ba pha hình sin tại

tần số cơ bản, chức năng thứ ba là khả năng bù: cung cấp bù công suất phản kháng

[9],[10]. Cơ sở của công nghệ STATCOM là sử dụng các bộ biến đổi điện tử công

suất ở dạng một bộ biến đổi điện tạo nguồn điện áp để tổng hợp điện áp đầu ra Vc

từ nguồn điện áp một chiều. Điện áp xoay chiều Vc của bộ biến đổi điện được đấu

nối với hệ thống điện (được thể hiện bằng điện áp hệ thống Vs và điện kháng hệ

thống Xs), thông qua điện kháng đệm Xc.

Bằng cách khống chế điện áp Vc của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ

thống Vs, nhưng có biên độ lớn hơn, dòng điện và công suất phản kháng chạy từ

STATCOM vào hệ thống, để nâng điện áp lên. Ngược lại, nếu điều khiển điện áp

Vc thấp hơn điện áp hệ thống Vs, thì dòng điện và dòng công suất chạy từ lưới vào

STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện.

Điện áp xoay chiều được tạo ra từ nguồn điện áp một chiều nhờ các bộ biến

đổi công suất sử dụng điện tử tác động nhanh. Từ nhiều năm nay Thyristor trong

SVC (thiết bị bù tĩnh công suất phản kháng) có thể được sử dụng để điều khiển mở

để dẫn dòng nhưng không thể điều khiển khóa Thysistor tức là điều khiển khóa

dòng điện. Đặc điểm khác biệt của STATCOM là nó sử dụng các công tắc hai chế

độ, ví dụ như các thyristor cắt (GTO) hoặc transistor lưỡng cực cửa cách điện

(IGBT) có khả năng điều khiển dẫn dòng cũng như cắt mạch. Dạng sóng đầu ra đơn

giản nhất từ bộ biến đổi điện nguồn điện áp là điện áp có dạng sóng vuông. Tuy

nhiên, dạng sóng mong muốn và tối ưu nhất là dạng hình sin, STATCOM thực hiện

được dạng sóng với chất lượng yêu cầu bằng cách tổng hợp dạng sóng hình sin theo

một chuỗi các bậc, với việc sử dụng kỹ thuật nhân xung được áp dụng từ nhiều năm

nay để giảm sóng hài trong điện áp xoay chiều của các bộ chỉnh lưu và biến đổi

điện. Bằng cách tăng số bậc, có thể giảm thành phần sóng hài và nhờ đó điện áp tạo

ra gần đúng hơn với sóng hình sin tần số cơ bản.

Chức năng của STATCOM thì tương tự như của một tụ bù đồng bộ nhưng

thời gian phản ứng cực kỳ nhanh chóng và hiệu quả.Tóm lại, STATCOM cung cấp,

bù công suất phản kháng để giải quyết một loạt những yêu cầu chất lượng cho hệ

thống điện như điện áp, tần số khi bản thân nó có biến động và nguy cơ mất ổn

định. Một hệ thống STATCOM hoàn thiện cơ bản bao gồm một nguồn điện áp DC,

bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) và một máy biến áp ghép nối với lưới điện.

Hình 3.5: Mạch điện tương đương của STATCOM

a) Mạch tương đương một pha, b) Mạch tương đương ba pha

3.4.Cấu trúc cơ bản

STATCOM là một thiết bị chuyển đổi nguồn điện áp, nó chuyển đổi nguồn

điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho HTĐ.

Cấu trúc cơ bản bao gồm: một bộ biến đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) được nối về

phía thứ cấp của máy biến áp ghép; nguồn điện áp DC.

Hình 3.6: Cấu trúc cơ bản của STATCOM

3.5. Nguyên lý hoạt động

Việc thay đổi CSPK được thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của máy

biến áp. VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất (GTO, IGBT hoặc IGCT) để

điều chế điện áp xoay chiều ba pha V2 từ nguồn một chiều. Nguồn một chiều này

được lấy từ tụ điện. Nguyên lý hoạt động của STATCOM được thể hiện trong hình

3.7 công suất tác dụng và phản kháng truyền giữa điện áp hệ thống để điều khiển là

V1 và điện áp được tạo ra bởi VSC là V2.

Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM

STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều chỉnh điện áp tại vị trí nó lắp đặt

đến giá trị cài đặt (Vref) thông qua việc điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp

rơi giữa STATCOM và hệ thống điện.

Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp phát ra bởi STATCOM V2 là cùng

pha với V1 (δ = 0), do đó chỉ có công suất phản kháng truyền tải. Bằng cách điều

khiển điện áp V2 tạo ra bởi VSC cùng pha với điện áp V1 của hệ thống nhưng có

biên độ lớn hơn khiến dòng phản kháng (Iq) chạy từ STATCOM vào hệ thống, lúc

này dòng điện Iq hoạt động như một điện dung cung cấp công suất phản kháng đến

hệ thống, qua đó nâng cao điện áp hệ thống lên. Ngược lại, nếu điện áp V2 tạo ra

bởi VSC có biên độ thấp hơn điện áp V1 của hệ thống khiến dòng phản kháng (Iq)

chạy từ hệ thống vào STATCOM, lúc này dòng điện Iq hoạt động như một điện

cảm tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống, qua đó hạn chế quá điện áp trên

lưới điện. Nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC và điện áp hệ thống V1 bằng nhau thì

không có trao đổi công suất phản kháng.

Hình 3.8 là sơ đồ nguyên lý trao đổi công suất phản kháng và công suất tác

dụng giữa bộ bù và lưới.

Hình 3.8 Nguyên lý bù của bộ bù tích cực.

Ta có công suất phản kháng và công suất tác dụng trao đổi giữa hai nguồn V1 (lưới)

và V2 (bộ bù):

; ( ) (3.7)

Trong đó: V1 và θ1: Điện áp lưới cần điều chỉnh và góc lệch pha.

V2 và θ2: Điện áp tạo ra bởi VSC và góc lệch pha.

XL : Điện kháng kết nối giữa lưới và bộ bù.

δ : Góc lệch pha giữa điện áp lưới và điện áp bộ bù.

Trong chế độ hoạt động chỉ bù công suất phản kháng thì δ = 0 do đó từ (3.7) ta có:

P = 0 ; ( ) (3.8)

Từ (3.8) ta thấy Q tỉ lệ với hai điện áp (V1 – V2).

- Khi V1 = V2 thì Q = 0 bộ bù không phát ra hay hấp thụ CSPK.

- Khi V1> V2 thì Q > 0 tồn tại thành phần điện áp V12 tương ứng dòng cảm kháng IL chậm sau V1, V2 một góc 900, lưới sẽ truyền công suất phản kháng vào bộ

bù (STATCOM hấp thụ công suất phản kháng).

Hình 3.9: Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù

Khi V1< V2 thì Q < 0 tồn tại thành phần điện áp V12 tương ứng dòng điện dung IC vượt trước V1,V2 một góc bằng 900 bộ bù phát công suất phản kháng lên lưới điện.

Hình 3.10: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù

Từ phân tích trên ta thấy rằng khi thay đổi biên độ điện áp đầu ra của bộ bù trong

khi giữ góc lệch δ = 0 ta có thể điều khiển dòng công suất phản kháng trao đổi giữa

lưới và bộ bù.

3.6. Đặc tính bù của Statcom

Mục tiêu điều khiển xác lập của STATCOM là điều khiển điện áp được thể

hiện theo đặc tính V- I và Q -V ở các Hình 3.11 và 3.12. Các giới hạn dòng điện

vận hành của STATCOM trong đặc tuyến được suy ra từ các giới hạn dòng điện của

các thiết bị bán dẫn trong bộ nghịch lưu áp [13].

Bảo vệ quá áp VT

VSTAref 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5

0.4

0.3 0.2 0.1 Bảo vệ thấp áp

ISTAmax ISTA ISTAmax 0

Tính cảm Tính dung

Hình 3.11: Đặc tuyến V – I của STATCOM

Bảo vệ quá áp VT

Bảo vệ thấp áp

1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

0 QC QL QLmax

QCmax Tính dung Tính cảm

Hình 3.12: Đặc tuyến V – Q của STATCOM

Sự ổn định điện áp được quyết định bởi sự thay đổi công suất tác dụng P và

công suất phản kháng Q tác động như thế nào đến điện áp tại các nút. Tầm ảnh

hưởng của đường đặc tuyến công suất phản kháng của phụ tải hay thiết bị bù được

biểu diễn rõ ràng trong quan hệ đường cong Q –V, ổn định quá độ. Nó chỉ ra độ

nhạy và biến thiên của nút điện áp đối với lượng công suất phản kháng bơm vào

hoặc tiêu thụ [4]. Vì thế, chúng tôi tập trung nghiên cứu sử dụng thiết bị

STATCOM ổn định điện áp trên hệ thống điện.

3.7. Ƣu điểm của Statcom

STATCOM (Static Synchronous Compensator) là thiết bị bù đồng bộ tĩnh,

thời gian phản ứng cực kỳ nhanh chóng và hiệu quả.

STATCOM khi lắp đặt vào hệ thống điện nó có thể giải quyết các vấn đề sau :

- Tăng khả năng truyền tải công suất.

- Giảm thiểu tổn thất đường dây

- Bù công suất phản kháng

- Ngăn chặn chập chờn của lưới điện

- Điều chỉnh điện áp

- Cân bằng điện áp pha

- Nâng cao ổn định quá độ.

- Nâng cao sự ổn định trạng thái ổn định

- Giảm dao động công suất.

CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

4.1. Phần mềm MATLAB/SIMULINK

- MATLAB (viết tắt từ Matrix Laboratory) được phát triển từ dự án

LINPACK & EISPACK nhằm tạo ra thư viện ma trận phục vụ cho tính toán. Qua

quá trình phát triển, MATLAB được phát triển thành một công cụ rất mạnh, được

ứng dụng khá phổ biến trong các trường đại học ở khắp thế giới, đặc biệt là các

nước như Mỹ, Bỉ, Canada, ... MATLAB là công cụ không thể thiếu trong nghiên

cứu các lĩnh vực: toán học cao cấp, khoa học và kỹ thuật. Trong công nghiệp,

MATLAB là công cụ lựa chọn cho nghiên cứu nâng cao hiệu quả sản xuất, phân

tích, đánh giá và ứng dụng. Với MATLAB, bài toán tính toán, phân tích, thiết kế và

mô phỏng trở nên dễ dàng hơn trong nhiều lĩnh vực chuyên ngành như : Điện, Điện

tử, Cơ khí, Cơ điện tử, Vật lý…

- Các ưu điểm cơ bản của MATLAB :

* Công cụ tính toán rất mạnh trực quan, dễ mở rộng và phát triển.

* Có khả năng liên kết đa môi trường.

* Có khả năng xử lý đồ hoạ mạnh trong không gian hai chiều và ba chiều.

* Các TOOLBOX (bộ công cụ) trong MATLAB rất phong phú, đa năng là

công cụ nghiên cứu, thiết kế cực kỳ hiệu quả trong các lĩnh vực chuyên ngành.

* Công cụ mô phỏng trực quan SIMULINK chạy trong môi trường MATLAB

giúp cho bài toán thiết kế, phân tích, đánh giá dễ dàng, sinh động hơn.

* MATLAB có kiến trúc mở, dễ dàng trong việc xây dựng thêm các module

tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn công nghiệp và truyền thông.

- SIMULINK là một TOOLBOX có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc mô

hình hóa và mô phỏng các hệ thống kỹ thuật trong môi trường MATLAB. Giao diện

đồ họa trên màn hình của SIMULINK cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ

tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc. SIMULINK cung cấp cho người sử

dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho

các hệ tuyến tính, phi tuyến tính và gián đoạn. Hơn thế người sử dụng cũng có thể

tạo nên các khối riêng của mình.

Sau khi đã xây dựng mô hình của hệ thống cần nghiên cứu, bằng cách ghép

các khối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc của hệ, ta có thể khởi động quá trình mô

phỏng. Trong quá trình mô phỏng ta có thể trích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ

cấu trúc và hiển thị đặc tính của tín hiệu đó trên màn hình. Việc nhập hoặc thay đổi

tham số của các khối cũng có thể thực hiện bằng cách nhập trực tiếp hay thông qua

MATLAB. Để khảo sát hệ thống ta có thể sử dụng thêm các TOOLBOX xử lý tín

hiệu, tối ưu hay hệ thống điều khiển.

- Trong chuyên ngành Hệ thống điện ta dùng Power System Toolbox.

- Mô hình : thu nhỏ một vật; dạng biểu diễn đơn giản hóa của một hệ vật lý.

- Mô phỏng : bắt chước, làm theo mẫu; cho chạy, khởi động một hệ vật lý.

Mô hình mô phỏng cho phép quan sát quá trình, đáp ứng động của hệ thống

nghiên cứu trước khi thực nghiệm trên thiết bị thực, là công cụ hữu hiệu với chi phí

thấp cho nghiên cứu, dễ dàng thay đổi phương án…

4.2. Khảo sát mạng điện 3 nút

4.2.1. Sơ đồ đơn tuyến

Sơ đồ đơn tuyến của hệ thống nghiên cứu gồm 3 bus, 1 nguồn 25KV-

100MVA, máy biến áp 25KV/600V. Hai bộ cấp (21km và 2km) truyền điện đến các

tải kết nối tại bus B2 và B3. Tải 600V kết nối với bus B3 thông qua biến áp

25KV/600V, tải đại diện cho trạm hấp thụ liên tục dòng điện thay đổi, tương tự như

một lò hồ quang, tạo hiện tượng điện áp nhấp nháy. Cường độ dòng điện tải biến

thiên được điều chế ở tần số 5 Hz để công suất biểu kiến có thể thay đổi từ 1MVA

đến 5,2 MVA, trong khi vẫn giữ hệ số công suất chậm pha là 0,9.

Yêu cầu : Ổn định điện áp tại bus 3 trên mạng lưới phân phối 25KV khi biến

tải thay đổi.

Bộ bù tĩnh đồng bộ phân phối (D – Statcom viết tắt Distribution - Static

Synchronous Compensator) được sử dụng để điều chỉnh điện áp trên lưới điện. D –

Statcom điều chỉnh điện áp bus B3 bằng cách hấp thụ hoặc phát ra công suất phản

kháng. Việc chuyển tải công suất phản kháng được thực hiện thông qua các điện

kháng rò của máy biến áp ghép bằng cách tạo ra một điện áp thứ cấp cùng pha với

điện áp sơ cấp (phía mạng). Điện áp này được cung cấp bởi một bộ đảo PWM điện

áp nguồn.

Khi điện áp thứ cấp thấp hơn điện áp bus, D – Statcom hoạt động như một

cảm kháng hấp thụ công suất phản kháng. Khi điện áp thứ cấp cao hơn điện áp bus,

D – Statcom hoạt động như một tụ điện tạo ra công suất phản kháng .

Hình 4.1 Sơ đồ đơn tuyến.

Trong các mạng điện được khảo sát, Statcom được đặt ở nút B3 lý do : B3 là

nút ở xa nguồn do tổn hao trên đường dây trong quá trình truyền tải nên điện áp

tại B3 bị suy giảm; B3 được nối với biến áp - thiết bị này tiêu thụ CSPK; B3 nối

với tải động – không ổn định. Vì vậy, đặt Statcom tại B3 để đánh giá tác động của

Statcom trong việc ổn định điện áp tại B3 của lưới phân phối.

4.2.2. Sơ đồ Simulink

* Các khối và thông số :

Khối nguồn áp 3 pha : 25KV,

1000MVA, tần số 60Hz

- Khối đường dây giữa B1, B2 Tần số 60Hz,

- điện trở thứ tự thuận, điện trở thứ tự không

[0.1153 0.3963] Ohms/km

- điện cảm thứ tự thuận, điện cảm thứ tự không

[1.048e-3 2.730e-3] H/km

- điện dung thứ tự thuận, điện dung thứ tự không

[11.33e-9 5.338e-9] F/km

- dài 21 km

Khối đường dây giữa B2, B3

Dài 2km

- Khối máy biến áp, Tần số 60Hz,

- công suất định mức 6e6 VA

- Sơ cấp [ V1 Ph-Ph(Vrms), R1(pu), L1(pu)]

[25e3, 0.05, 0.05]

- Thứ cấp [ V2 Ph-Ph(Vrms), R2(pu), L2(pu) ]

[600, 0.05, 0]

- Điện trở từ hóa : Rm (pu) 500

- Điện cảm từ hóa : Lm (pu) 500

Khối tải RC song song

- điện áp định mức : 25e3 (Vrms)

- tần số 60 Hz

- công suất tác dụng : 3e6 W

- công suất phản kháng QC : 0.2e6 Var

Khối tải

- điện áp định mức : 600 (Vrms)

- tần số 60 Hz

- công suất tác dụng : 1e6 W

Khối tải động

- Tải định mức : [ Dòng điện (Arms) Hệ số công

suất ] tương ứng [3000 0.9]

- Giá trị điều chế : [ dòng điện (Arms) Tần số

(Hz) ] tương ứng [2000 5]

- Thời gian điều chế : [ Ton Toff ] [0.15 1]*100

- Điện áp định mức : 600 (Vrms)

- I = f(P)

Thiết bị bù công suất phản kháng D-

Statcom điện áp 25KV, Q = ±3MVar

Hình 4.2 Các khối của Sơ đồ Simulink.

*Khối nguồn điện áp 3 pha

- Khối nguồn điện áp được lập trình để điều chỉnh điện áp nội bộ 25KV.

- Cụ thể được lập trình tại thời gian t = 0,2s, 0,3s, 0,4s.

- Khoảng thời gian từ 0,2 – 0,3s, điện áp nguồn tăng 6%; khoảng thời gian từ

0,3 – 0,4s, điện áp nguồn giảm 6%.

- Trước và sau thời điểm trên thì điện áp xấp xỉ 1pu.

*Khối tải động

- Tải biến đại diện cho một trạm hấp thụ liên tục dòng điện thay đổi, cường độ

dòng điện tải biến thiên từ 0 đến 3000A được điều chế ở tần số 5Hz dẫn đến

công suất của nó thay đổi theo nhưng vẫn đảm bảo hệ số công suất chậm pha

là 0,9.

- [Ton Toff] = [0,15 1]*100, mô phỏng khoảng thời gian chuyển tiếp, khoảng

thời gian dừng.

Hình 4.3 Mô hình tải động.

* Statcom sẽ phản ứng với những thay đổi bƣớc nhảy trong điện áp nguồn.

Hoạt động :

- Ban đầu, sau khoảng thời gian chuyển tiếp xấp xỉ 0,15s, mạng đạt trạng thái ổn

định (điện áp tại điểm mắc Statcom B3 đạt 1pu và điện áp tham chiếu Vref = 1pu)

với điện áp nguồn như vậy thì D-Statcom không hoạt động, nó không hấp thụ cũng

không cung cấp CSPK vào mạng lưới.

- Khoảng thời gian từ 0,2 – 0,3s, điện áp nguồn tăng 6%, D-Statcom hấp thụ CSPK

từ mạng lưới, khoảng thời gian từ 0,3 – 0,4s, điện áp nguồn giảm 6%, D-Statcom

phát CSPK lên mạng lưới, phản ứng của Statcom trong 2 trường hợp trên là để duy

trì điện áp 1pu cho lưới điện, sau đó là khoảng thời gian dừng, điện áp nguồn trở lại

giá trị như ban đầu.

* Các thành phần của D – Statcom :

+ Máy biến áp 25KV/1,25KV đảm bảo việc liên kết giữa bộ đảo PWM và mạng

lưới.

+ Bộ đảo PWM điện áp nguồn gồm 2 cầu IGBT. Cấu hình bộ đảo đôi này tạo ra ít

sóng hài hơn một cầu đơn, kết quả các mạch lọc nhỏ hơn và phản ứng động được

cải thiện.

+ Bộ lọc LC giảm xóc kết nối ở đầu ra bộ đảo, những điện trở mắc nối tiếp với tụ

điện cung cấp một hệ số chất lượng 40 ở mức 60Hz.

+ Một tụ 10000µF hoạt động như một nguồn điện áp một chiều cho bộ đảo.

+ Một bộ điều chỉnh điện áp, điều chỉnh điện áp tại bus B3.

+ Một máy tạo xung PWM sử dụng tần số biến điệu 1,68 KHz.

+ Bộ lọc chống răng cưa dùng để thu nhận điện áp và dòng điện.

Hình 4.4 Cấu tạo D - Statcom.

- Một vòng khóa pha (PLL) đồng bộ hóa trên các thành phần thứ tự dương

của điện áp ba pha sơ cấp V1. Đầu ra của PLL (góc θ = ωt) được sử dụng để

tính toán các thành phần dọc trục và ngang trục của điện áp và dòng điện ba

pha AC (được ghi nhãn là Vd, Vq hoặc Id, Iq trên sơ đồ).

- Các hệ thống đo lường đo các thành phần d và q của điện áp và dòng điện

thứ tự dương AC được điều khiển cũng như điện áp DC, Vdc.

- Một vòng lặp điều chỉnh bên ngoài bao gồm một bộ điều chỉnh điện áp AC

và bộ điều chỉnh điện áp DC.

- Các đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp AC là dòng điện quy chiếu Iqref cho

điều chỉnh dòng điện (Iq = dòng điện vuông góc với điện áp mà điều khiển

dòng chảy công suất phản kháng).

* Hệ thống điều khiển D - Statcom :

- Các đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp DC là dòng điện quy chiếu Idref cho

điều chỉnh dòng điện (Id = dòng điện cùng pha với điện áp mà điều khiển

dòng công suất tác dụng).

- Một vòng lặp điều chỉnh dòng điện bao gồm bộ điều chỉnh dòng điện. Điều

chỉnh dòng điện điều khiển độ lớn và pha của điện áp được tạo ra bởi bộ

chuyển đổi PWM (V2d V2q) từ những dòng điện quy chiếu Idref và Iqref tạo ra

tương ứng bằng cách điều chỉnh điện áp DC và điều chỉnh điện áp AC (trong

chế độ điều khiển điện áp). Điều chỉnh dòng điện được hỗ trợ bởi một nguồn

cấp dữ liệu về phía trước điều chỉnh loại dự báo điện áp đầu ra V2 (V2d V2q) từ

đo V1 (V1d V1q) và điện kháng rò rỉ biến áp.

Hình 4.5 Hệ thống điều khiển D - Statcom

* Sơ đồ simulink:

Hình 4.6 Sơ đồ Simulink mạng điện 3 nút.

4.2.3. Chạy mô phỏng và kết quả

* Khảo sát đƣờng công suất tác dụng, công suất phản kháng tại B3.

Hình 4.7 Đường công suất tác dụng tại B3(3bus)

Khi điện áp nguồn tăng (0,2-0,3s) thì dòng biến tải tăng, để đảm bảo hệ số công suất

không đổi (theo lập trình của biến tải) thì P tăng và ngược lại trong thời gian 0,3 –

0,4s. Khi có Statcom điện áp nguồn về 1pu thì I và P trở lại ổn định như ban đầu,

nên ta thấy đồ thị P khi có Statcom bằng phẳng, ổn định.

Hình 4.8 Đường công suất phản kháng tại B3(3bus)

Khảo sát trong thời gian 0.5 giây, ta thấy khi có Statcom đường đặc tính của Q

dao động nhỏ hơn và tương đối bằng phẳng. Do khoảng thời gian 0.2 đến 0.3s

Statcom hấp thu Q (kéo thấp), khoảng thời gian 0.3 đến 0.4s Statcom phát Q lên hệ

thống điện (nâng cao Q)

* Khảo sát điện áp tại B3, B1.

Đánh giá tác động của Statcom tới điện áp nút B1

Hình 4.9 Đường điện áp tại bus B1(3bus)

Khảo sát trong thời gian 0.5 giây, ta thấy khi có Statcom khoảng thời gian 0.2

đến 0.3s Statcom hấp thu Q nên điện áp V_B1 đã giảm thấp, khoảng thời gian 0.3

đến 0.4s Statcom phát Q lên hệ thống điện nên điện áp V_B1 được nâng lên.

Hình 4.10 Đường điện áp tại bus B3(3bus)

Khảo sát trong thời gian 0.5 giây, ta thấy khi có Statcom khoảng thời gian 0.2

đến 0.3s Statcom hấp thu Q nên điện áp V_B3 đã giảm thấp, khoảng thời gian 0.3

đến 0.4s Statcom phát Q lên hệ thống điện nên điện áp V_B3 được nâng lên.

B3 là nút đặt Statcom nên tác động của Statcom tại điện áp B3 là rõ rệt nhất.

Khi có Statcom quan sát thấy khoảng dao động điện áp ngắn và biên độ V_B3

dao động trong ngưỡng cho phép < ± 5%.

* Khảo sát flicker (nhấp nháy) điện áp tại B3.

Dùng thiết bị đo nhấp nháy (Digital Flickermeter), khảo sát dao động trong thời

gian 4 giây.

Quan sát đường nhấp nháy trong 2 trường hợp, chú ý thông số trên trục dọc, ta

thấy có sự chênh lệch khá lớn (không có Statcom khoảng dao động điện áp lên tới

300V, có Statcom khoảng dao động điện áp là khoảng 10V) thể hiện khi không có

Statcom điện áp tại B3 nhấp nháy rất cao, khi có Statcom điện áp khá ổn định, độ

nhấp nháy, chập chờn giảm thấp.

Hình 4.11 Flicker tại bus B3(3bus) với time 4s

Hình 4.12 Điện áp tại bus B3(3bus) với time 4s

Khi không có Statcom, điện áp tại B3 quan sát thấy rất nhấp nhô, gợn sóng. Khi có Statcom, điện áp B3 quan sát thấy rất phẳng, không còn nhấp nhô, gợn sóng,

chứng tỏ khi có Statcom biên độ điện áp tại B3 được ổn định.

Như vậy tại bus B3, Statcom đã điều chỉnh Q làm cho điện áp B3 ổn định đảm bảo về độ lệch điện áp (biên độ), độ dao động điện áp (nhấp nháy) giảm xuống thấp. Điện áp ổn định về biên độ, độ chập chờn thấp có nghĩa chất lượng

điện áp được nâng cao. Ngoài ra Statcom còn ảnh hưởng tốt trên hệ thống điện, điều chỉnh điện áp cho các bus khác trên hệ thống .

4.3. Mạng điện 4 bus.

4.3.1 Sơ đồ đơn tuyến

Sơ đồ đơn tuyến mạng điện 4 bus thể hiện ở hình vẽ 4.12

Yêu cầu : Ổn định điện áp tại bus 3 trên mạng 4 bus theo sơ đồ đơn tuyến.

Hình 4.13 Sơ đồ đơn tuyến mạng 4 bus.

4.3.2 Sơ đồ Simulink

Hình 4.14 Sơ đồ Simulink mạng 4 bus.

4.3.4 Chạy mô phỏng và kết quả

* Khảo sát đƣờng công suất tác dụng, công suất phản kháng tại B3.

Hình 4.15 Đường công suất tác dụng tại B3(4bus)

Khi điện áp nguồn tăng (0,2- 0,3s) thì dòng biến tải tăng, để đảm bảo hệ số công

suất không đổi (theo lập trình của biến tải) thì P tăng và ngược lại trong thời gian

0,3 – 0,4s. Khi có Statcom điện áp nguồn về 1pu thì I và P trở lại ổn định như ban

đầu, nên ta thấy đồ thị P khi có Statcom bằng phẳng, ổn định.

Hình 4.16 Đường công suất phản kháng tại B3(4bus)

Khảo sát trong thời gian 0.5 giây, ta thấy khi có Statcom đường đặc tính của Q dao động nhỏ hơn và tương đối bằng phẳng. Do khoảng thời gian 0.2 đến 0.3s

Statcom hấp thu Q (kéo thấp), khoảng thời gian 0.3 đến 0.4s Statcom phát Q lên hệ

thống điện (nâng cao Q)

* Khảo sát điện áp tại B1, B3.

Hình 4.17 Đường Điện áp tại bus B1(4bus)

Khảo sát trong thời gian 0.5 giây, khoảng thời gian 0.2 đến 0.3s điện áp V_B1

cao có Statcom hấp thu Q nên điện áp V_B1 đã giảm thấp, khoảng thời gian 0.3

đến 0.4s điện áp V_B1 thấp có Statcom phát Q lên hệ thống điện nên điện áp V_B1 được nâng lên.

Hình 4.18 Đường Điện áp tại bus B3(4bus)

Khảo sát trong thời gian 0.5 giây, ta thấy khi có Statcom khoảng thời gian 0.2

đến 0.3s điện áp V_B3 có Statcom mang tính cảm hấp thu Q nên điện áp V_B3 đã

giảm thấp, khoảng thời gian 0.3 đến 0.4s điện áp V_B3 thấp có Statcom mang tính

dung phát Q lên hệ thống điện nên điện áp V_B3 được nâng lên.

B3 là nút đặt Statcom nên tác động của Statcom tại điện áp B3 là rõ rệt nhất.

Khi có Statcom quan sát thấy khoảng dao động điện áp ngắn và biên độ V_B3

dao động trong ngưỡng cho phép < ± 5%.

* Khảo sát flicker (nhấp nháy) điện áp tại B3.

Dùng thiết bị đo nhấp nháy (Digital Flickermeter), khảo sát trong thời gian 4 giây.

Hình 4.19 Điện áp tại bus B3 (4bus) với time 4s

Khi không có Statcom, điện áp tại B3 quan sát thấy rõ nhấp nhô, gợn sóng.

Khi có Statcom, điện áp tại bus B3 quan sát thấy bằng phẳng, ổn định.

Hình 4.20 Flicker tại bus B3 (4bus) với time 4s

Quan sát khi không có Statcom điện áp tại B3 nhấp nháy nhiều với biên độ

lớn, khoảng dao động điện áp lên tới khoảng 280V, khi có Statcom độ nhấp nháy ít

và bé, gần như bằng phẳng, khoảng dao động điện áp là 10V.

4.4. Mạng điện phân phối tuyến Hòa Hƣng – Thiện Thuật (Trích sơ đồ tuyến

dây CMT8, Quận 3, TP HCM).

4.4.1 Sơ đồ đơn tuyến

Lưới điện phân phối từ Hòa Hưng đến Thiện Thuật (thuộc tuyến dây CMT8,

Quận 3, TP HCM), nguồn điện áp từ trạm biến áp Hòa Hưng 110KV/15KV, công

suất 25MVA. Đường dây B1B2 dài 3.5km, tại B2 kết nối tải 40MW, 11.6MVAR.

Đường dây B2B3 dài 1km, tại B3 kết nối D – STATCOM 25KV, ± 3MVAR. Sau

B3 lần lượt là các trạm biến áp và tải : Thiện Thuật - máy biến áp 15KV/400V,

công suất 6MVA kết nối tải 1.5MW, 0.5MVAR. Anh Thư - máy biến áp

15KV/400V, công suất 6MVA kết nối tải 1MW, 0.3MVAR. Thiện Thuật 2 - máy

biến áp 15KV/400V, công suất 6MVA kết nối tải 2MW, 0.5MVAR. Đường dây từ

Thiện Thuật đến trạm biến áp Anh Thư dài 2 km, đường dây từ Anh Thư đến trạm

biến áp Thiện Thuật 2 dài 1.5 km.

Yêu cầu : Ổn định điện áp tại bus 3 (Thiện Thuật) trên hệ thống phân phối

điện Hòa Hưng đến Thiện Thuật.

Hình 4.21 Sơ đồ đơn tuyến mạng điện phân phối Hòa Hưng đến Thiện Thuật

4.4.2 Sơ đồ Simulink

Hình 4.22 Sơ đồ Simulink mạng phân phối Hòa Hưng đến Thiện Thuật

4.4.3 Chạy mô phỏng và kết quả

Mô phỏng mạng phân phối Hòa Hưng đến Thiện Thuật trong trường hợp

phụ tải đỉnh (theo các thông số đã cho của mạng)

* Khảo sát đƣờng công suất tác dụng, công suất phản kháng tại B3.

Hình 4.23 Đường công suất tác dụng tại B3(Hòa Hưng)

Hình 4.24 Đường công suất phản kháng tại B3(Hòa Hưng)

Khảo sát trong thời gian 0.5 giây, ta thấy khi có Statcom đường đặc tính của P,

Q bằng phẳng hơn chút ít, P dao động trong khoảng 4 đến 5MW, Q dao động trong

khoảng 1.3 đến 1.55MVAr .

* Khảo sát điện áp tại B1, B3.

Hình 4.25 Đường Điện áp tại bus B1(Hòa Hưng)

Khi có Statcom, biên độ điện áp tại B1 có thay đổi một ít, theo hướng gần phía

1pu.

Hình 4.26 Đường Điện áp tại bus B3(Hòa Hưng)

Khi có Statcom, biên độ điện áp tại bus B3 nằm trong phạm vi quy định ≤

5%.

* Khảo sát flicker (nhấp nháy) điện áp tại B3.

Dùng thiết bị đo nhấp nháy (Digital Flickermeter), khảo sát trong thời gian 4 giây.

Hình 4.27 Điện áp tại bus B3(Hòa Hưng) với time 4s

Quan sát từ đồ thị ta thấy khi không có Statcom, đường điện áp tại B3 thấy rõ

nhấp nhô, khi có Statcom đường điện áp được làm phẳng, biên độ trong 2 trường

hợp gần như nhau. Như vậy có Statcom, đường điện áp bằng phẳng và ổn định hơn.

Hình 4.28 Flicker tại bus B3(Hòa Hưng) với time 4s

Quan sát khi không có Statcom điện áp tại B3 nhấp nháy nhiều với biên độ lớn

(dao động trong khoảng 260V), khi có Statcom độ nhấp nháy ít và khoảng dao động

bé (khoảng 20V). Statcom làm điện áp tại B3 ít chập chờn.

Qua thực nghiệm lắp đặt Statcom vào hệ thống điện trong 3 trường hợp trên,

ta thấy rằng tại nút B3 có đặt Statcom, điện áp tại đó được điều chỉnh ổn định, biên

độ điện áp nằm trong ngưỡng cho phép ≤ ±5%, độ chập chờn, nhấp nháy của điện

áp giảm thấp, tăng tính ổn định và nâng cao chất lượng điện áp, ngoài nút đặt

Statcom, cả mạng lưới điện đều chịu tác động, ảnh hưởng tốt từ Statcom, tuy nhiên

ảnh hưởng đó là bé hơn so với điểm đặt Statcom.

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN

5.1 Kết luận

Với mục tiêu “Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của hệ thống điện”

tác giả đã thực hiện các nội dung :

- Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện.

- Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để

cải thiện chất lượng điện áp.

- Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.

- Mô hình mô phỏng ứng dụng Statcom vào hệ thống điện trên phần mềm

MATLAB/ SIMULINK để cải thiện ổn định điện áp.

- Ứng dụng vào mạng điện thực tế 3 nút, 4 nút và lưới điện Hòa Hưng – Thiện

Thuật (trích sơ đồ tuyến dây CMT8, quận 3, thành phố Hồ Chí Minh) để cải thiện

chất lượng điện áp trong chế độ xác lập.

Kết quả : Qua 3 mạng điện được khảo sát ta thấy tại các nút đặt STATCOM,

điện áp được điều chỉnh ổn định (biên độ nằm trong phạm vi cho phép), độ dao

động điện áp (nhấp nháy) giảm xuống thấp, ngoài ra STATCOM còn tác động tốt

trên hệ thống điện, như vậy chất lượng điện áp được cải thiện đạt được mục tiêu

nghiên cứu.

5.2 Hƣớng phát triển đề tài

Qua quá trình thực hiện đề tài, tác giả nhận thấy đề tài có thể phát triển theo

các hướng sau :

- Tính toán vị trí và dung lượng tối ưu cho Statcom

- Ứng dụng Logic mờ (fuzzy logic) để nâng cao chất lượng bộ điều khiển

Statcom, cho ổn định áp như mong đợi.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Trần Bách (2004), Lưới điện và hệ thống điện. Nhà xuất bản KH&KT – Hà Nội.

[2]. Lã Văn Út (2010), Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện. Nhà xuất bản

KH&KT – Hà Nội.

[3]. Nguyễn Hoàng Việt, Phan Thị Thanh Bình (2013), Ngắn mạch và ổn định trong

hệ thống điện. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh.

[4] Phạm Văn Huy. Nghiên cứu STATCOM, ứng dụng trong truyền tải điện năng,

2013.

[5] Nguyễn Tùng Lâm, Trần Thị Hằng, Nguyễn Văn Nhật. Sử dụng đường cong

PV/QV phân tích ổn định điện áp. Tuyển tập báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên

cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng, năm 2010.

[6] Trần Đình Long. Tra cứu về chất lượng điện năng. Nhà xuất bản Bách khoa Hà

Nội, 2013.

[7] Hồ Đắc Lộc. Thiết bị FACTS trong hệ thống điện. Nhà xuất bản xây dựng,

2013.

[8] Nguyễn Xuân Dũng. Đánh giá ổn định điện áp 220kV khu vực miền trung. Đại

học Đà Nẵng, 2012.

[9] How FACTS controllers benefits AC transmission systems. John J.Paserba,

Fellow IEEE.

[10] How FACTS improve the performance of electrical grid. Rolf Grunbaum, Ake

Petersson, Bjom Thorvaldsson (ABB Review3/2002).

[11] Electricity and New Energy, 2014. Static Synchronous Compensator

(STATCOM).

[12] Dr. Nadarajah Mithunanthan, Mr.Arthit Sode-yome and Mr.Naresh Acharya.

Application of FACTS Contronllers in Thailand Power Systems, 2005.

[13] Prof. Dr. Grega Bizjak. Voltage control in the power supply network of oil

platform with static compensators. University of Ljubljana, 2014.

[14] Mania PAVELLA, Damien ERNST và Daniel RAIZ-VEGA. Transient

stability of power system, 2012.

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp hệ thống điện

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP

CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP

CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT

ABSTRACT

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH ÁP

(2.8)

CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ THỐNG

ĐIỆN ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP.

CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

*Khối nguồn điện áp 3 pha

*Khối tải động

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Có thể bạn quan tâm

Luận văn Thạc sĩ: Quản lý hoạt động phát triển nhận thức cho trẻ mẫu giáo ở các trường mầm non, huyện Hoàng Su Phì, tỉnh Hà Giang

Luận văn Thạc sĩ tóm tắt: Pháp luật về điều kiện đầu tư kinh doanh trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo ở Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Sự nghiệp nghiên cứu phê bình văn học của Hoài Thanh

Luận văn Thạc sĩ: Tiểu thuyết của Đỗ Phấn từ góc nhìn sinh thái

Luận văn Thạc sĩ: Giải pháp ứng phó với nhập cư ở Liên minh Châu Âu

Luận văn Thạc sĩ: Diễn ngôn về giới nữ trong văn xuôi nữ Việt Nam đương đại (khảo sát sáng tác của Dạ Ngân, Y Ban, Lý Lan, Nguyễn Thị Thu Huệ)

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng mức phát thải tham chiếu rừng khu vực huyện Bảo Lâm tỉnh Lâm Đồng

Luận văn Thạc sĩ: Đặc điểm nhân vật chính trong ba tác phẩm của Franz Kafka: Lâu đài, Vụ án, Hóa thân

Kháo luận tốt nghiệp: Vận dụng lí thuyết học tập trải nghiệm vào dạy học Thống kê - Xác suất ở lớp Hai

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng hệ thống điều khiển và thu nhận dữ liệu cho Robot dịch vụ

Luận văn Thạc sĩ: Thế giới nhân vật trong truyện ngắn Lê Minh Khuê sau năm 1975

Luận văn Thạc sĩ: Tác động của cấu trúc vốn đến hiệu quả hoạt động của các ngân hàng thương mại cổ phần niêm yết trên thị trường chứng khoán Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Kiểm soát rủi ro tín dụng bán lẻ tại Ngân hàng Thương mại Cổ phần Đầu tư và Phát triển Việt Nam chi nhánh Thủ Thiêm

Luận văn Thạc sĩ: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả kinh doanh của ngân hàng thương mại cổ phần niêm yết trên thị trường chứng khoán Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Các nhân tố ảnh hưởng đến hành vi sử dụng dịch vụ ngân hàng điện tử tại Ngân hàng Thương mại Cổ phần Ngoại thương Việt Nam – Chi nhánh Thủ Đức

Luận văn Thạc sĩ: Các yếu tố tác đồng đến nợ xấu tại Ngân hàng Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn - Chi nhánh Tiền Giang

Luận văn Thạc sĩ: Yếu tố ảnh hưởng đến quyết định sử dụng dịch vụ thanh toán không dùng tiền mặt tại Ngân hàng TMCP Công thương Việt Nam (Vietinbank)

Luận văn Thạc sĩ tóm tắt: Pháp luật về du lịch biển, thực tiễn tại tỉnh Bình Định

Luận văn Thạc sĩ: Ảnh hưởng của các yếu tố thương hiệu với vai trò trung gian của Marketing truyền miệng đến quyết định chọn việc làm của nhân viên GenZ tại chuỗi nhà hàng gà rán Popeyes khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh

Luận văn Thạc sĩ: Ảnh hưởng của Marketing mix đến ý định học cao học của sinh viên khối ngành kinh tế thuộc Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu đặc điểm phân bố và dinh dưỡng của các loài lưỡng cư ở Vườn Quốc gia Bến En và Khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa

Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp luật dẫn và điều khiển cho một lớp tên lửa đối hải trên cơ sở ứng dụng mạng nơ ron và hệ mờ

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hệ điều khiển góc Pitch tua bin gió trong điều kiện có nhiễu tác động

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hóa học lipid của hai loài san hô thủy tức Millepora dichotoma và Millepora platyphylla ở Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu kiểm soát phân phối công suất kéo trên cầu chủ động của ô tô con bằng ABS

Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng phản ứng Domino vào tổng hợp các dẫn xuất Podophyllotoxin, Pyrimidine và đánh giá hoạt tính sinh học của các chất tổng hợp được

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và một số hoạt tính sinh học của cây chùm ngây (Moringa oleifera)

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và ứng dụng ức chế ăn mòn cho thép của cao chiết xuất từ cây Lộc vừng thuộc họ Lecythidaceae

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật